冥王星大气层是冥王星周边薄薄的气体层。它的主要成分是氮（N2），次要的成分还有甲烷（CH4）和一氧化碳（CO），这些都与它们在冥王星表面的冰平衡。表面的压力范围在6.5至24微帕（0.65至2.4Pa），大约是地球大气压力的百万分之一至十万分之一，远远低于地球表面的大气压力。预测冥王星的椭圆轨道对它的大气层主要的影响是：当冥王星远离太阳时，它的大气层会逐渐冻结。当冥王星接近太阳时，冥王星固体的表面温度上升，造成冰的升华。就像汗水从皮肤表面蒸发时会冷却身体一样，冥王星的升华会造成反温室效应，使表面冷却。
存在大气层中的甲烷是强大的温室气体，在冥王星的大气层创造出温度反转，使10公里高处的平均温度比表面高，达到36K。大气层较低处的甲烷浓度比上层大气的含量要高。
尽管冥王星正在远离太阳，它在2002年的大气压（0.3帕斯卡）比1988年还高。因为在1987年，冥王星的北极是120年来首度离开阴影，造成额外的氮开始从冰帽升华，需要几十年才能在逐渐进入阴影的南极结冰，冻结成冥王星南极的冰帽。
一些来自大气层的分子有足够的能量来克服冥王星微弱的引力逃逸进太空，在那里他们会被太阳辐射的紫外线电离。当太阳风遇到由离子构成的障碍，它会减缓速度和转移方向（描绘在红色的区域），可能在冥王星的前缘形成冲激波。这些离子会被捡拾并随着太阳风前进，流过矮行星形成离子尾或等离子尾（蓝色区域）。新视野号太空船的太阳风分析仪（SWAP）于2015年7月14日最接近冥王星之后，很快地就在这个地区首度进行低能量大气离子的测量。这些测量将使SWAP的团队确认冥王星失去大气层的速率，并反过来洞察冥王星的大气层和表面的沿革。
1985年，以色列WISE天文台的Noah Brosch和Haim Mendelson最早提出冥王星有大气层的证据，然后古柏机载天文台在1988年经由冥王星掩星的观测予以证实。如果天体没有大气层，当从一颗恒星前方过时，恒星会突然的消失，但是冥王星掩星时的星光是逐渐变暗的。依据变暗的速率，大气压力被推断为0.15Pa，大约是地球的1/700,000。在2002年，由巴黎天文台Bruno Sicardy领导的小组，成员有麻省理工学院的James L. Elliot、威廉士学院的Jay Pasachoff，观察与分析了另一次的冥王星掩星。即使冥王星离太阳地的距离比1988年远，估计的大气压力是0.3Pa；但是大气层应该是更冷和更稀薄。对这种差异的一种解释是，冥王星的极冠是120年来首度走出阴影，造成额外的氮气层极地冰动的极冠升华。它要花上几十年的时间，多余的氮气才能在逐渐变暗的南极冻结，在南极形成冰冻的极冠。来自同一项研究资料的峰值，也显示冥王星大气层中的风是何种物质的第一个证据。2006年6月12日，MIT-Williams College的L. Elliot、Jay Pasachoff的团队，和美国西南研究院由Leslie A. Young领导的团队，在澳大利亚观测了另一次的冥王星掩星。
在2006年，科学家使用SMA计算出冥王星的温度大约是43 K（−230 °C），然而比预期的低了约10K。
在2006年10月，NASA/Ames Research Center的Dale Cruikshank（的共同研究员）和他的同事宣布在光谱中发现冥王星的表面有乙烷（C2H6）。这些乙烷是来自冥王星表面冰冻和悬浮在大气层中的甲烷，因光致离解（光致蜕变）或是辐射分解（即阳光或带电粒子的化学转换）而产生的。
在2015年6月29日，冥王星从一颗遥远的恒星和地球之间通过，它的影子投射在地球上的新西兰，NASA的同温层红外线天文台（SOFIA，一架机载天文台）在新西兰上空研究冥王星的大气层，预计在2016年7月公布结果。
2015年7月14日，测量到的冥王星大气层压力只有早先地基观测值的一半。
On 10 August 2015, NASA scientists stated that simulations suggested that the nitrogen of Pluto's atmosphere is unlikely to be chiefly replenished by impact events, and therefore that Pluto's nitrogen is most likely supplied by geological processes.
2015年8月10日，NASA科学家认为模拟结果暗示冥王星大气层中的氮气不太可能是由撞击事件产生的，因此冥王星的氮气最有可能是在地质构造演化过程中补充的。。
