Aunque, en general, el Sol es una esfera de gas bastante estable y luminosa, su atmósfera experimenta constantemente actividades localizadas violentas. Desde la Tierra, a veces se pueden observar «sombras» en el brillante disco solar, y la superficie inmaculada del Sol puede desarrollar «pecas» oscuras. La atmósfera del Sol se divide en tres capas, de dentro hacia afuera: fotosfera, cromosfera y corona. Lo que vemos directamente desde la Tierra es la fotosfera, mientras que la cromosfera y la corona solo se pueden observar durante un eclipse total del Sol. El disco solar que vemos habitualmente es la fotosfera. La temperatura de la fotosfera es de aproximadamente 5800 K, y su densidad media es solo una fracción de un billón de la del agua, pero su espesor de 500 km la hace opaca. La fotosfera parece lisa, pero en realidad es como un mar de fuego en ebullición. En su interior se producen intensas actividades, y mediante telescopios se pueden observar estructuras similares a granos de arroz en la superficie de la fotosfera, llamadas granulaciones. Estas suben y bajan, como si fuera una sopa hirviendo, pero en realidad son el resultado de una convección violenta del gas debajo de la fotosfera. Las granulaciones tienen una temperatura 300-400 K más alta que la del entorno, por lo que se ven más brillantes; su tamaño es de aproximadamente 1000 km, pero son muy inestables, con una vida media de 5-10 minutos. Otro fenómeno notable en la superficie de la fotosfera son las manchas solares, que son enormes remolinos de gas en la fotosfera, en su mayoría de forma ovalada. En realidad, las manchas solares no son oscuras, sino que la temperatura central es 1000 K inferior a la de la fotosfera, por lo que se ven más oscuras contra el fondo brillante, mientras que su temperatura real es superior a 4000 K. Si se extrae una mancha solar, su brillo sería comparable al de la luna llena.
La capa de atmósfera que se encuentra justo por encima de la fotosfera se llama cromosfera. No es fácil observarla en condiciones normales, pero durante un eclipse total del Sol, cuando la luna oculta el resplandor de la fotosfera, se puede ver un hermoso resplandor rosado alrededor del borde del Sol, que es la cromosfera. La cromosfera tiene un espesor de aproximadamente 2000 km, y su densidad y presión son mucho menores que las de la fotosfera. En la cromosfera se producen a menudo erupciones de llamaradas, que son otro fenómeno complejo y violento en la atmósfera del Sol, y se manifiestan como manchas brillantes que aparecen de repente y se desarrollan rápidamente. Durante unos pocos minutos o decenas de minutos, las llamaradas liberan tanta energía como la que el Sol emite en un segundo. Las llamaradas pueden provocar tormentas solares, en las que partículas cargadas de alta energía (hasta mil millones de toneladas) se precipitan hacia el espacio interplanetario a velocidades de cientos de kilómetros por segundo. Si las tormentas solares se dirigen hacia la Tierra, pueden afectar significativamente el entorno espacial cercano a nuestro planeta. En la cromosfera también se pueden observar muchas llamas que se elevan, llamadas «eyaculaciones solares». Estas son manifestaciones violentas y rápidamente cambiantes de la cromosfera, y un proceso completo de eyaculación solar suele durar unos pocos decenios. Al mismo tiempo, las eyaculaciones solares pueden adoptar las formas más diversas, como nubes de humo, cascadas, arcos o arbustos, por no mencionar las más espectaculares, las erupciones eyaculatorias, en las que las manchas solares, que antes eran tranquilas o activas, de repente «explotan» y lanzan violentamente hacia arriba masas de gas. A veces, el material eyaculado vuelve a caer sobre la superficie del Sol, formando un anillo, llamado anillo eyaculatorio.
Durante el breve instante de un eclipse total del Sol, a menudo se puede observar, además de la fotosfera brillante, una gran zona blanquecina y suave alrededor del Sol, que es la corona, la capa más externa de la atmósfera solar. La forma de la corona está relacionada con la actividad solar, y puede expandirse hacia el exterior, haciendo que el gas ionizado y caliente fluya continuamente desde el Sol hacia el exterior, formando el viento solar.