Bien que le Soleil soit globalement une sphère de gaz lumineuse assez stable, son atmosphère connaît constamment des activités localisées intenses. Depuis la Terre, on peut observer des « ombres » flottant sur le Soleil brillant, et des « taches de rousseur » apparaître sur la surface initialement parfaite du disque solaire. L'atmosphère du Soleil se divise en trois couches, allant du centre vers l'extérieur : la photosphère, la chromosphère et la couronne. Ce que nous voyons directement depuis la Terre est la photosphère, tandis que la chromosphère et la couronne ne sont visibles qu'au cours d'une éclipse totale du Soleil. Le disque solaire que nous voyons est la photosphère. La température de la photosphère est d'environ 5800 K, et sa densité moyenne n'est que de quelques centaines de millions de fois celle de l'eau, mais son épaisseur de 500 km la rend opaque. La photosphère semble lisse, mais en réalité, c'est une mer bouillante de feu. Des activités intenses se produisent dans la photosphère, et avec un télescope, on peut observer une structure semblable à du riz sur la surface de la photosphère, appelée granulation. Ces grains de riz flottent vers le haut, comme une bouillabaisse, mais en réalité, c'est le résultat d'un fort mouvement de convection des gaz sous la photosphère. La température des grains de riz est de 300 à 400 K plus élevée que celle de leur environnement, et ils apparaissent donc plus brillants que le fond. Chaque grain de riz mesure environ 1000 km, mais il est très instable, avec une durée de vie moyenne de 5 à 10 minutes. Un autre phénomène célèbre observé dans la photosphère est les taches solaires. Ce sont d'énormes tourbillons de gaz dans la photosphère, généralement de forme ovale. En réalité, les taches solaires ne sont pas noires, mais la température au centre de la tache est inférieure de plus de 1000 K à celle de la photosphère environnante, et elles apparaissent donc plus sombres sur un fond lumineux. En réalité, elles ont une température de plus de 4000 K, et si on pouvait isoler une grande tache solaire, sa luminosité serait comparable à celle de la pleine lune.
La couche d'atmosphère située juste au-dessus de la photosphère s'appelle la chromosphère, et elle est difficilement observable. Pendant une éclipse totale du Soleil, lorsque la Lune occulte la brillante luminosité du disque solaire pendant un instant, on peut observer une magnifique lueur rose autour du bord du disque solaire, c'est la chromosphère. La chromosphère a une épaisseur d'environ 2000 km, et sa densité et sa pression sont bien inférieures à celles de la photosphère. Des éruptions de flares, un autre phénomène complexe et violent de l'atmosphère solaire, se produisent régulièrement dans la chromosphère, sous la forme de taches lumineuses localisées qui apparaissent soudainement et se développent rapidement. Pendant quelques minutes à quelques dizaines de minutes, les flares libèrent une quantité d'énergie équivalente à celle produite par le Soleil en une seconde. Les flares peuvent provoquer des tempêtes solaires, et de grandes quantités de particules chargées (jusqu'à 1 milliard de tonnes) se précipitent dans l'espace interplanétaire à des vitesses de centaines de kilomètres par seconde. Si les tempêtes solaires se dirigent vers la Terre, cela peut avoir un impact considérable sur l'environnement spatial proche de la Terre. On peut également observer de nombreuses flammes s'élevant dans la chromosphère, appelées « éjections coronales ». Ces phénomènes dynamiques dans la chromosphère durent généralement quelques dizaines de minutes. Les éjections coronales peuvent également prendre des formes très variées, allant de nuages de fumée à des cascades d'eau, en passant par des arches et des buissons, sans compter les plus spectaculaires d'entre elles, les éruptions coronales. Pendant un bref instant lors d'une éclipse totale du Soleil, on peut souvent observer autour du Soleil, en plus de la magnifique chromosphère, un large halo blanc bleuté et doucement lumineux, qui est la couche la plus extérieure de l'atmosphère solaire, la couronne. La forme de la couronne dépend de l'activité solaire, et elle peut également se dilater vers l'extérieur, provoquant un flux continu de gaz électriquement ionisés hors du Soleil, formant le vent solaire.