太阳看起来像是一团均匀的气体球，简单得不能再简单了。但实际上它却由若干界限分明的层组成，类似于行星的固体部分与大气层。
太阳的大气层根据高度和性质的不同，分为3个圈层，它们分别是“光球”、“色球”和“日冕”。
人类肉眼所见的是太阳大气的最底层——“光球”，厚约500千米。光球实际就是我们看到的太阳圆面，它有一个比较清楚的圆周界线，太阳直径就是根据它确定的，光球看上去像是一个光滑的固体，其实却是由平均密度只有水的几亿分之一的气体构成的。光球中至少含有68种化学元素，氢占78％左右，其次是氦（19.8％）和氧（0.8％）。
在光球之上的是“色球”，厚约2000千米。它是有颜色的球，看上去像套在太阳上的一个玫瑰花环。由于光球太亮，色球完全被湮没了。色球内的物质比光球稀薄得多，发出的光通常只有在日全食时月球把太阳的光球遮住才能被大家看到，但天文学家可以用一种称为“色球仪”的特殊望远镜看到它。色球层中进行着强烈的气流活动，看上去就像一片燃烧的大草原，不时有明亮而细长的火舌腾空而起。火舌有时喷到一定高度又落回太阳表面，形成耀眼的光环，就像一只红色耳环，这就是日珥。日珥的形态千变万化。
色球之上的那部分灰白色称为“日冕”，向外延伸达数百万千米，其厚度约为好几个太阳半径。日冕里的物质更加稀薄，而其中相对较稠密的部分，也可在日全食的时候看到。日冕是由极其炙热的气体构成的。
“日冕”是不是太阳大气的最外层呢？不是，它的外表面还有“太阳风层”。太阳风（横扫整个太阳系的带电粒子流）就是从日冕外层吹出的。太阳的外大气层经常喷发一种带电粒子流，称为“太阳风”，它主要由电子和各种离子组成。太阳风在离开太阳以后，吹遍整个太阳系，最后消失在恒星际空间。以前，人们曾经把日冕看作太阳大气的最外层。但是，太阳风实际上也是太阳大气的一部分，只是比日冕还要稀薄，范围达到整个太阳系空间。因此，现在很多天文学家把太阳风吹拂的范围看作太阳大气的最外层，称为“太阳风层”。
太阳的辐射（它是地球上所有生命赖以生存的基础）源于其深处的核心部分所发生的核反应。核反应的能量逐渐向外泄出，直至抵达太阳的可见表面（称为光球）并逃逸到空间中。有科学家计算过，日核中核聚变产生的高能辐射，从日核传到光球表面变成阳光，要花2万年的时间。我们今天看到的阳光是“山顶洞人”时代就开始从内向外走了。
从核心到光球，太阳的温度急剧下降（核心处的温度为1500万开氏度，而光球的温度只有6000开氏度），这是人人都料想得到的。但随后温度梯度却来了个急剧的逆转，这就大大出乎人们意料了：色球温度稳步上升到几万开氏度，而进入日冕层之后，温度更是猛升到100万开氏度。色球层的某些与太阳黑子有关的区域甚至更热。
既然能量必定来源于光球的下方，怎么可能出现这种怪事呢？这岂不是好像你离开炉子越远，身上反而感到越热吗？
这一难解之谜的第一批线索出现于19世纪，当时观测日食的天文学家们探测到了一些不属于任何已知元素的发射谱线。在20世纪40年代，物理学家们确定其中两条谱线是失去部分外层电子的铁原子发射出的。正常情况下铁原子有26个外层电子，而上述这些铁原子已失去了多达一半的外层电子，此种情况需要极高的温度才有可能出现。随后，火箭与卫星上的仪器又发现太阳发射出大量的X射线和极端紫外辐射，而只有当日冕层的温度达到数百万开氏度时情况才会如此。这一难解之谜并不是太阳所独有：大多数类日恒星似乎都有一个发射X射线的大气层。
但最终我们似乎找到了一个答案。天文学家们认为日冕的变热与磁场有关，磁场最强的地方也就是日冕最热的地方。这样的磁场可以通过热量以外的形式输运能量，从而不受通常的热力学定律的限制。能量仍然必须转换为热，现在研究人员正在检验两种可能的理论，即小尺度磁场再连理论（太阳耀斑也与这一过程有关）以及磁波理论。
科学家们研究认为，太阳看起来很平静，实际上无时无刻不在发生剧烈的活动。太阳表面和大气层中的活动现象，诸如太阳黑子、耀斑和日冕物质喷发等，会使太阳风大大增强，造成许多地球物理现象，例如极光增多，大气电离层和地磁的变化等。太阳活动和太阳风的增强还会严重干扰地球上无线电通信及航天设备的正常工作，使卫星上的精密电子仪器遭受损害，地面电力控制网络发生混乱，甚至可能对航天飞机和空间站中宇航员的生命构成威胁。因此，监测太阳活动和太阳风的强度，适时作出“空间气象”预报，越来越显得重要。
太阳的构造是不是人们假想的，至今还真是个谜。