Anche se nel complesso il Sole è una sfera di gas luminosa piuttosto stabile, la sua atmosfera è costantemente soggetta a fenomeni di attività locale intensa. Dalla Terra, sul Sole brillante si possono a volte osservare "ombre" fluttuanti e macchie scure che si sviluppano sulla superficie apparentemente immacolata del Sole. L'atmosfera del Sole si divide in tre strati, dall'interno verso l'esterno: fotosfera, cromosfera e corona. Quello che vediamo direttamente dalla Terra è il livello più basso, la fotosfera, mentre la cromosfera e la corona possono essere osservate solo durante un'eclissi totale del Sole. Il disco solare che vediamo di solito è la fotosfera. La temperatura della fotosfera è di circa 5.800 K e la sua densità media è solo una frazione di quella dell'acqua, ma, essendo spesso di 500 km di spessore, non è trasparente. La fotosfera appare liscia, ma in realtà è come un mare di fuoco bollente. All'interno della fotosfera si verificano intense attività, e con un telescopio si possono osservare sulla superficie della fotosfera strutture dense come chicchi di riso, chiamate granuli. Questi si muovono su e giù come una zuppa bollente, ma in realtà sono il risultato di un intenso flusso convettivo del gas sotto la fotosfera. I granuli hanno una temperatura di 300-400 K più alta rispetto all'ambiente circostante e appaiono più luminose del contesto; ogni granulo ha un diametro di circa 1.000 km, ma è estremamente instabile, con una durata media di 5-10 minuti. Un altro fenomeno famoso sulla superficie della fotosfera sono le macchie solari, che sono enormi vortici di gas nella fotosfera, per lo più ovali. In realtà, le macchie solari non sono nere, ma la temperatura al centro delle macchie è di oltre 1.000 K in meno rispetto a quella della fotosfera circostante, e contro un fondo luminoso appaiono più scure. In realtà, le macchie solari hanno una temperatura di oltre 4.000 K e, se fossero isolate, la luce di una grande macchia solare potrebbe essere paragonata a quella della luna piena.
Lo strato successivo, sopra la fotosfera, è chiamato cromosfera. Di solito è difficile osservarlo. Durante un'eclissi totale del Sole, quando la luna copre il bagliore luminoso della fotosfera, si può notare un magnifico alone rosa attorno al bordo del sole, che è la cromosfera. La cromosfera ha uno spessore di circa 2.000 km e la sua densità e pressione sono molto inferiori a quelle della fotosfera. Sulla cromosfera si verificano spesso brillamenti, un altro fenomeno complesso e violento dell'atmosfera solare, che si manifesta come macchie luminose localizzate e in rapido sviluppo. I brillamenti rilasciano in pochi minuti o decine di minuti una quantità di energia paragonabile a quella rilasciata dal Sole in un secondo. I brillamenti possono causare tempeste solari, con enormi quantità di particelle cariche (fino a 1 miliardo di tonnellate) che si muovono a centinaia di km/s nello spazio interplanetario. Se la tempesta solare si dirige verso la Terra, può avere un grande impatto sull'ambiente spaziale vicino alla Terra. Sulla cromosfera si possono anche osservare molti fuochi in eruzione, chiamati "prominenti". I prominenti sono fenomeni in rapido cambiamento sulla cromosfera e un prominente completo dura in genere alcune decine di minuti. I prominenti possono anche assumere forme molto diverse, come nuvole, fiumi, ponti o cespugli, e così via. I più spettacolari sono i prominenti esplosivi, in cui un prominente apparentemente tranquillo o attivo, a volte, si "incendia" violentemente, lanciando nell'aria enormi quantità di gas. A volte, il materiale espulso ritorna sulla superficie del Sole, formando un anello, chiamato prominente anulare.
Durante i brevi istanti di un'eclissi totale del Sole, si può spesso osservare attorno al Sole, oltre alla splendida cromosfera, un'ampia aureola bianco-azzurra e soffice, che è lo strato più esterno dell'atmosfera solare, la corona. La forma della corona è legata all'attività solare e può espandersi verso l'esterno, facendo sì che il gas elettro-ionizzato si riversi continuamente nello spazio interplanetario, formando il vento solare.