高层大气物理，主要研究高层大气中发生的各种物理过程。由于高层大气中的化学过程常同光学和粒子碰撞等物理过程有关，因此常常将高层大气物理作广义的理解，也包括光化学过程的研究。19世纪以前，人们对极光和夜气辉（夜天光的一部分）等高层大气的发光现象就作过观察。19世纪末，人们开始由地面磁场的日变化和磁暴等推算和研究高空感应电流和磁场。20世纪初，电离层的发现和无线电波传播的研究，对高层大气物理的研究起了促进作用。同时也展开了高层大气的潮汐、声波、重力波以及光化学等现象的研究。火箭、卫星技术的出现和发展，使得高层大气物理的研究取得了更加迅速的发展。50年代初，发现了高层大气密度随太阳活动有数百倍的变化；还发现了高层大气中存在氦层。非相干散射雷达和激光雷达等先进的地面探测设备，能对高层大气进行多参数的长期监测。70年代以后，发射了专门研究高层大气的综合探测卫星，如“探险者”C、D、E和“大气卫星”(Aeros)等。大气综合探测卫星能同时测量太阳辐射、大气辐射、中性成分、离子成分、空间电场和磁场等。