海卫一的大气层延伸至距离地表800公里的地区，主要由氮气所构成，成分类似土卫六大气层与地球大气层。海卫一大气层的表面气压只有14微巴，为地球的1/70,000。天文学家原本认为海卫一拥有浓厚的大气层，但是航海家二号在1989年首次近距离探测海卫一的大气层后推翻这种看法。近年来的天文观测则显示海卫一的大气层含量正在逐渐增加当中。

氮气是海卫一大气层中最主要的成分，目前也发现有甲烷存在。其他行星及卫星上也存在成分类似的大气层，例如地球及土卫六。

海卫一大气层的结构相当完整并遍布整个卫星.。海卫一大气层延伸至距离地表800公里的地区，表面的气压只有14微巴，大约是地球大气层的1/70,000。海卫一的表面温度至少高于摄氏−237.6度（35.6K），因为天文学家发现表面的氮冰处于比较温暖的环境下才会出现的六角形结晶状。而温度上限则会低于40K，这是根据海卫一大气层的氮气处于压力平衡之下所推算的结果。海卫一表面的扰动则会产生高达8公里的对流层，但是海卫一大气层并没有平流层。海卫一大气层的温度随高度上升而递减，对流顶层的温度约为36K。海拔更高的地区则依序分成热成层、电离层及逸散层。逸散层的温度约为75K。

氮粒子在海卫一表面几公里高的地方形成云，而天文学家也发现雾的存在。这些雾被认为主要是由烃及腈（由受到阳光照射的甲烷所产生的）所组成的。海卫一大气层也拥有固体氮所构成的云系，并位在距离地表1至3公里高的位置。天文学家也普遍在海拔8公里的地方发现风的存在，这是由极地及赤道地区的温差所产生的。这些风也包含着大小超过1微米的游离物质。海卫一大气层中间也受到超音速的风所影响，包括海卫一的光度曲线。低海拔的风则从南半球往北半球吹拂。航海家二号曾在极区观测到反气旋形成，这是因为霜升华所造成的。这个气旋的风速则约为秒速5 -1.。

在航海家二号近距离探测海卫一之前，天文学家认为它由氮及甲烷构成的大气层密度约为地球大气层的30%。目前已经知道这个估计值过于偏高，就像天文学家原本对于火星大气层的密度估计也过高一样。

航海家二号在1989年以最近距离来通过海王星5小时之后接近海卫一，当时航海家二号也对海卫一大气层进行探测，并且在大气层中发现氮及甲烷的存在。

在1990年代，天文学家从地球上借由海卫一的掩星现象来观测它的周边昏暗情形。这些观测结果显示海卫一大气层的密度比航海家二号探测的结果还要高 ，而其他的观测结果则显示海卫一大气层的温度从1989年至1998年间上升5%。这篇报告的作者James L. Elliot则说：

这些观测显示海卫一经历一段不寻常的温暖夏季，仅仅在几百年间才会发生一次。关于暖化的解释包括地表模型的改变、冰反射率的改变让更多热量可以被留在大气层中。其他的理论则认为温度的变化是暗色物质沉淀所造成的，这些红色的物质是海卫一的地质活动所造成的。因为海卫一的球面反照率是太阳系所有天体当中最高的，所以细微的反射率改变都会造成影响。

观测海卫一计划集合天文学家来监测海卫一的温度变化，这项观测计划的资金则是由NASA所提供的。