古希腊哲学家亚里士多德曾经猜想，我们这个世界由4个壳层组成，而这4个壳层又分别由四种原质构成，它们是土（大地）、水（海洋）、空气（大气）和火（通过闪电发出的光，偶尔可以见到它）。亚里士多德认为，这些壳层之外的宇宙是由神秘的第五种原质构成的，他把它叫做“以太”。
亚里士多德曾说：“大自然厌恶真空”，并以水压机能够从井里汲水为例。当水压机的活塞被提上来时，活塞的下面留下了一段真空；但由于大自然厌恶真空，所以周围的水会打开水压机底部的阀门，涌入真空。重复进行这种动作，就会把筒内的水越提越高，直到它从泵口流出。
中世纪欧洲的矿工们发现，无论花费多大力气，水压机都不可能把水汲到离原来水面10m以上的位置。伽利略在晚年时曾试图解开这个谜，但结论是大自然对真空的厌恶只是到一定的限度为止。他的学生托里拆利和维维安尼在1644年进行了一项实验，他们在一根约1m长的玻璃管里灌满汞，把开口的一端塞住，倒过来立在盛有汞的盘中，然后拿开塞子。这时管中的汞开始流到盘里，但当管内汞柱降低到比盘内汞面只高760mm时，汞就不再从管里流出而一直保持这个高度。
第一个“气压计”就这样制成了。没过多久人们发现，汞柱的高度并不总是一样的。16世纪60年代，英国科学家胡克发现，在暴风雨之前汞柱高度会降低，说明天气变化与气压有关。
是什么使汞柱保持一定的高度呢？托里拆利和维维安尼认为，这是由于大气的重量向下压在盘中的液体上。这一观点打破了亚里士多德空气没有重量的学说，这项实验也证明了大自然并不一定在所有的情况下都厌恶真空，因为当管内的水银下降后，在封闭端留下的那个空间就是真空，而10m高的水柱或760mm高的汞柱的重量就等于截面与之相同、高度为从地面到大气顶端这样一个空气柱的重量。
如果空气具有一定的重量，说明它具有一定的高度。17世纪60年代，人们已经知道地面附近大气的压强约为1kg/cm2，由此推算出大气层的高度约为8000m左右。但波义耳通过实验发现，气体受到压力时体积会收缩，体积的变化与压强成反比，这项发现后来被称作“玻义耳定律”。
不久，法国科学家帕斯卡让人带着气压计登上一座1500m高的山，并请他在登高时随时注意气压计中汞柱高度下降的情况，证明空气在海平面时最稠密，随着高度上升，空气会变得越来越稀薄。这样，人们开始明白大气层厚度绝对不止8000m。
据科学家估算，大气质量约6000万亿吨，差不多占地球总质量的百万分之一。根据理论计算，如果温度不随高度而变化，每上升1.9万m，空气压强就将减小为原来的1/10.以此计算，在距地面170km的高空，那里的大气压只有地球表面的百万分之一，而空气的密度只有十亿分之一，但这一点点空气就足以让进入地球大气层的陨星因摩擦生热而使其大部分物质燃烧殆尽并发出白炽的光芒。