La composition chimique de la troposphère est, à l'exception de la vapeur d'eau et des aérosols, remarquablement homogène en ce qui concerne les gaz permanents. L'azote moléculaire en représente environ 78 % et l'oxygène moléculaire près de 21 %, l'argon constituant l'essentiel du 1 % restant. Le dioxyde de carbone, gaz trace à l'effet de serre fondamental, y est présent à une concentration dépassant désormais 420 parties par million. Cependant, l'espèce chimique qui singularise le plus la troposphère par rapport aux couches supérieures est l'eau, sous toutes ses phases : vapeur, liquide et glace. La quasi-totalité de la vapeur d'eau atmosphérique est confinée dans cette couche, sa concentration pouvant varier de près de zéro dans les déserts polaires à plus de 4 % en volume dans les régions équatoriales humides. Cette présence de l'eau et sa capacité à changer de phase constituent le moteur principal du temps météorologique et le modérateur thermique essentiel du climat, via les énormes transferts d'énergie latente associés à l'évaporation et à la condensation.

La troposphère est le siège d'un brassage vertical intense, qualifié de convection, qui la distingue fondamentalement de la stratification stable de la stratosphère. Le réchauffement inégal de la surface terrestre, combiné à la rotation de la Terre, engendre un vaste système de circulation atmosphérique générale structuré en cellules de convection. L'air chaud et moins dense s'élève, se refroidit adiabatiquement, entraînant la condensation de la vapeur d'eau et la formation de nuages, de précipitations et d'orages. Ce mouvement ascendant se produit principalement dans la zone de convergence intertropicale, près de l'équateur, et aux fronts des moyennes latitudes. Inversement, l'air sec et plus froid descend aux latitudes subtropicales, créant les zones de haute pression et les grands déserts. La rotation de la Terre dévie ces mouvements horizontaux par la force de Coriolis, structurant des vents dominants comme les alizés soufflant des tropiques vers l'équateur, et les vents d'ouest des latitudes tempérées. La couche la plus directement influencée par le frottement avec la surface, appelée couche limite planétaire, qui s'étend du sol jusqu'à environ un kilomètre d'altitude, est le royaume de la turbulence mécanique et thermique, où le vent, la température et l'humidité subissent de fortes fluctuations et un cycle diurne marqué.

La troposphère fonctionne comme un immense réacteur oxydant. Contrairement à la stratosphère où l'ozone est créé et nous protège, l'ozone troposphérique est un polluant secondaire nocif. Il ne provient pas directement d'une source, mais est formé in situ par une chaîne photochimique complexe impliquant le rayonnement solaire, les oxydes d'azote (NOx) et les composés organiques volatils. L'hydroxyle (OH), surnommé le "détergent de l'atmosphère", est le principal oxydant, produit par la photolyse de l'ozone en présence de vapeur d'eau. Il réagit avec la quasi-totalité des gaz traces émis, comme le méthane ou les polluants industriels, initiant leur dégradation et leur élimination par dépôt sec ou humide sous forme de pluie. Les aérosols, particules solides ou liquides en suspension, sont une autre composante importante. D'origine naturelle, comme les embruns marins, les poussières désertiques ou les cendres volcaniques, ou anthropique, comme les suies et les sulfates issus de la combustion, ils servent de noyaux de condensation pour les gouttelettes d'eau et les cristaux de glace, influençant ainsi directement la formation, la durée de vie et l'albédo des nuages, tout en ayant un effet radiatif direct en diffusant et absorbant le rayonnement solaire.

C'est ce couplage dynamique, thermodynamique et chimique qui fait de la troposphère le coeur battant du système climatique. Elle est le lieu d'un échange constant d'énergie, de quantité de mouvement et de matière avec la surface de la Terre, les océans, la biosphère et la cryosphère. L'effet de serre naturel, qui permet une température moyenne globale d'environ 15°C, y prend naissance. La vapeur d'eau et le dioxyde de carbone y piègent le rayonnement infrarouge terrestre, et la modification anthropique de ces concentrations est le moteur du changement climatique contemporain. La troposphère, par son rôle unique dans le cycle de l'eau et la redistribution de la chaleur des régions équatoriales vers les pôles via les dépressions et les courants-jets, détermine l'habitabilité de notre planète en rendant possible une météorologie à la fois variée, puissante et régulatrice.

Les troposphères ailleurs dans le Système solaire.
Vénus possède l'une des atmosphères les plus massives du Système solaire. Constituée à plus de 96 % de dioxyde de carbone et de quelques pourcents d'azote, elle présente une pression au sol proche de 92 bars et une température d'environ 735 K. La troposphère vénusienne s'étend depuis la surface jusqu'à une altitude comprise entre 60 et 65 km. Cette couche est dominée par une convection extrêmement vigoureuse alimentée par la chaleur intense de la surface, elle-même maintenue par un effet de serre colossal. Le gradient thermique moyen est voisin de 7 à 8 K par kilomètre dans les basses couches, avant de devenir plus faible près du sommet de la troposphère. La circulation générale est complexe : l'atmosphère effectue une superrotation spectaculaire, accomplissant un tour complet de la planète en seulement quatre jours terrestres alors que la planète tourne sur elle-même en 243 jours. Les vents zonaux atteignent plus de 100 m/s au sommet des nuages. Les gigantesques cellules de Hadley transportent efficacement la chaleur des régions équatoriales vers les pôles, expliquant la remarquable homogénéité thermique de la planète. Les nuages de Vénus occupent principalement la partie supérieure de la troposphère. Ils sont constitués de gouttelettes d'acide sulfurique formées par la réaction entre le dioxyde de soufre volcanique, la vapeur d'eau résiduelle et les produits de la photolyse dans la haute atmosphère. Ces nuages sont organisés en plusieurs couches superposées entre 45 et 70 km d'altitude. Ils réfléchissent environ 75 % du rayonnement solaire incident, donnant à Vénus son albédo exceptionnellement élevé. 

Mars possède une atmosphère environ cent cinquante fois moins dense que celle de la Terre, composée principalement de dioxyde de carbone. Malgré cette faible densité, une véritable troposphère est présente. Son épaisseur varie fortement avec les saisons et la latitude, généralement entre 30 et 45 km. Le chauffage du sol par le Soleil engendre une convection quotidienne particulièrement intense. Les amplitudes thermiques sont considérables, pouvant dépasser 80 °C entre le jour et la nuit. Les mouvements convectifs soulèvent d'immenses quantités de poussières minérales qui jouent un rôle central dans le bilan radiatif de la planète. Les tempêtes locales peuvent fusionner pour former des tempêtes régionales, voire des tempêtes globales enveloppant presque toute la planète pendant plusieurs semaines. La troposphère martienne est le siège de phénomènes météorologiques variés malgré la faible quantité d'eau disponible. Des nuages de glace d'eau apparaissent régulièrement, en particulier près des volcans géants de Tharsis, tandis que des nuages de dioxyde de carbone se forment dans les régions polaires durant l'hiver. Des tourbillons de poussière  (dust devils), hauts de plusieurs kilomètres, sont extrêmement fréquents. 

Les quatre planètes géantes possèdent des troposphères et des stratosphères particulièrement développées, bien plus épaisses que celles des planètes telluriques. Contrairement aux planètes rocheuses, il n'existe pas de surface solide clairement définie. Par convention, le niveau de référence correspond généralement à la pression d'un bar. La troposphère s'étend vers les profondeurs jusqu'aux régions où la pression atteint plusieurs dizaines, voire plusieurs centaines de bars. La chaleur interne de ces planètes joue un rôle essentiel dans leur dynamique atmosphérique.

Sur Jupiter, la troposphère est le siège d'une convection extrêmement énergique alimentée autant par le flux thermique interne que par le rayonnement solaire. La température décroît depuis environ 165 K au niveau d'un bar jusqu'à près de 110 K à la tropopause située vers 0,1 bar. Plusieurs couches nuageuses s'y superposent. Les plus profondes sont constituées de gouttelettes d'eau, au-dessus apparaissent des nuages d'hydrosulfure d'ammonium, puis les célèbres nuages d'ammoniac qui forment les bandes visibles de la planète. Les bandes claires (zones) correspondent généralement à des régions d'ascendance, tandis que les bandes sombres (ceintures) sont dominées par des mouvements descendants. Les jets zonaux dépassent fréquemment 100 m/s et peuvent atteindre près de 180 m/s. Les gigantesques vortex comme la Grande Tache rouge sont alimentés par cette circulation complexe.

La troposphère de Saturne présente une organisation comparable mais plus froide. Les principales couches nuageuses comprennent des nuages d'eau très profonds, des couches d'hydrosulfure d'ammonium et des nuages supérieurs d'ammoniac. Les vents zonaux figurent parmi les plus rapides du Système solaire, atteignant parfois 400 m/s à l'équateur. La convection profonde alimente périodiquement des tempêtes géantes appelées "grandes taches blanches", capables de faire le tour complet de la planète. Les saisons saturniennes, longues de plus de sept années terrestres chacune, influencent fortement la circulation atmosphérique et la structure thermique.

Uranus possède une atmosphère dominée par l'hydrogène et l'hélium, avec environ 2 % de méthane. Sa troposphère est remarquablement froide et relativement peu convective comparée à celles de Jupiter et de Saturne, car le flux thermique interne est très faible. Les nuages principaux sont constitués de méthane condensé, tandis que des couches plus profondes pourraient contenir du sulfure d'hydrogène, de l'ammoniac et de l'eau. Les vents atteignent néanmoins plus de 250 m/s dans certaines régions. Les saisons, chacune longue de vingt et un ans terrestres, induisent des modifications profondes de la circulation atmosphérique en raison de l'inclinaison extrême de l'axe de rotation (98°).

Neptune présente une structure comparable à celle d'Uranus, mais avec une dynamique atmosphérique beaucoup plus vigoureuse. Son flux thermique interne, environ deux fois supérieur à l'énergie solaire absorbée, entretient une convection importante malgré son très grand éloignement du Soleil. La troposphère comprend des nuages de méthane, de sulfure d'hydrogène et probablement d'eau dans les couches profondes. Les vents y atteignent plus de 600 m/s, constituant les plus rapides observés sur une planète du Système solaire. Les grands systèmes dépressionnaires, tels que les taches sombres découvertes par Voyager 2 puis observées par le télescope spatial Hubble, sont associés à des remontées de gaz plus chauds et à des nuages brillants de méthane.

Titan, le plus grand satellite de Saturne, mérite une attention particulière car il possède une atmosphère plus dense que celle de la Terre. Sa troposphère s'étend jusqu'à environ 40 km d'altitude. Elle est dominée par l'azote avec près de 5 % de méthane. Le méthane joue sur Titan un rôle analogue à celui de l'eau sur Terre. Il s'évapore des mers polaires, forme des nuages, se condense en pluie et alimente des rivières, des lacs et des mers d'hydrocarbures liquides. La convection est saisonnière et particulièrement active dans les régions tropicales et polaires selon les périodes de l'année saturnienne.

Triton, satellite de Neptune, possède une atmosphère extrêmement ténue dominée par l'azote. Une troposphère très mince est probablement présente au voisinage immédiat de la surface, où la sublimation saisonnière des glaces d'azote entretient une faible convection. Une inversion thermique située quelques kilomètres plus haut marque une transition vers une couche assimilable à une stratosphère, chauffée principalement par l'absorption du rayonnement solaire par le méthane et les aérosols photochemiques. Les panaches observés par Voyager 2 témoignent d'une interaction originale entre le chauffage solaire de la surface et la dynamique de cette basse atmosphère.

Pluton présente une atmosphère saisonnière constituée principalement d'azote, avec des traces de méthane et de monoxyde de carbone. Les observations de la mission New Horizons ont montré que la structure verticale diffère sensiblement des modèles antérieurs. Une troposphère permanente est probablement absente ou extrêmement mince, limitée à quelques centaines de mètres ou quelques kilomètres tout au plus.