Η ατμόσφαιρα του Τιτάνα, όπως και της Γης, έχει τροπόσφαιρα (κατώτερο δυναμικό στρώμα στο οποίο διαμορφώνεται ο καιρός) και στρατόσφαιρα (σταθερό στρώμα που θερμαίνεται από την υπεριώδη ηλιακή ακτινοβολία). Αυτά, όπως και τα υπόλοιπα (ανώτερα) στρώματα, οριοθετούνται από τη μεταβολή της θερμοκρασίας σε συνάρτηση με το ύψος. Η ατμόσφαιρα του Τιτάνα είναι 200 βαθμούς πιο κρύα από της Γης και επειδή ο δορυφόρος του Κρόνου έχει μικρότερη βαρύτητα η ατμόσφαιρά του είναι πιο απλωμένη. Πολλαπλά στρώματα αχλής αποτελούνται από σωματίδια υδρογονανθράκων, μοιάζουν με τη γήινη αιθαλομίχλη και παίζουν στον Τιτάνα τον ίδιο ρόλο που παίζει το όζον στη Γη.