Apesar de, em geral, o Sol ser uma bola de gás bastante estável que emite luz, a sua atmosfera está constantemente sujeita a atividades locais intensas. Do ponto de vista da Terra, o Sol brilhante é por vezes interrompido por "sombras", e a superfície inicialmente impecável do Sol desenvolve algumas "sardas" escuras. A atmosfera do Sol divide-se em três camadas, de dentro para fora: fotosfera, cromosfera e coroa. O que vemos diretamente da Terra é a fotosfera, enquanto a cromosfera e a coroa só podem ser observadas durante um eclipse total do Sol. O disco solar que vemos habitualmente é a fotosfera. A temperatura da fotosfera é de cerca de 5800 K, com uma densidade média de apenas uma centésima de milionésima parte da água, mas devido à sua espessura de 500 km, é opaca. A fotosfera parece lisa, mas é, na verdade, como um mar de fogo fervente. Na fotosfera, ocorrem atividades intensas, e com telescópios, podem-se observar uma estrutura densa semelhante a arroz na superfície da fotosfera, denominada granulação. Estas granulações flutuam para cima e para baixo, como uma papa em ebulição, mas na realidade, são o resultado de uma intensa convecção de gás por baixo da fotosfera. As granulações têm uma temperatura 300-400 K superior à do ambiente circundante, pelo que parecem mais brilhantes do que o fundo. Cada granulação tem um diâmetro de cerca de 1000 km, mas é muito instável, com uma vida média de 5-10 minutos. Outro fenómeno famoso na superfície da fotosfera são as manchas solares. Estas são enormes vórtices de gás na fotosfera, na sua maioria elípticas. Na realidade, as manchas solares não são escuras, mas a temperatura no centro das manchas é cerca de 1000 K inferior à da fotosfera circundante, pelo que, contra o fundo brilhante, parecem mais escuras. Na realidade, as manchas solares têm temperaturas superiores a 4000 K, e se uma mancha solar fosse isolada, o seu brilho seria comparável ao da lua cheia.
A camada de atmosfera imediatamente acima da fotosfera é denominada cromosfera. Esta não é facilmente observável. Durante um eclipse total do Sol, quando a Lua obscurece o brilho da fotosfera, pode-se observar uma auréola rosa no limite do Sol, que é a cromosfera. A cromosfera tem uma espessura de cerca de 2000 km, e a sua densidade e pressão são muito inferiores às da fotosfera. Na cromosfera, ocorrem frequentemente erupções de proeminências, que são outro fenómeno complexo e violento na atmosfera solar, caracterizado por pontos brilhantes repentinos e em rápido desenvolvimento. Durante alguns minutos a dezenas de minutos, as erupções de proeminências libertam energia equivalente à produzida pelo Sol num segundo. As erupções de proeminências podem dar origem a tempestades solares, com enormes quantidades de partículas carregadas (que podem atingir os 1000 milhões de toneladas) a viajarem pelo espaço interplanetário a velocidades de centenas de quilómetros por segundo. Se as tempestades solares se dirigirem para a Terra, podem ter um grande impacto no ambiente espacial próximo da Terra. Na cromosfera, podem também ser observadas muitas chamas, denominadas "erupções coronais". Estas são fenómenos de rápida mudança na cromosfera, e um processo completo de erupção coronariana dura, em geral, algumas dezenas de minutos. As erupções coronarianas também podem assumir formas muito variadas, desde nuvens de fumo até fontes de água, passando por arcos e até mesmo aglomerados de ervas. As mais espectaculares são as erupções explosivas, em que uma mancha solar, que pode ser calma ou activa, de repente "entra em erupção", lançando violentamente para o alto gás e matéria. Por vezes, o material lançado regressa à superfície do Sol, formando um anel, denominado anel coronário.
Durante os breves momentos de um eclipse total do Sol, pode-se observar, para além da fotosfera brilhante, uma grande auréola azul-clara e bonita, que é a camada mais externa da atmosfera solar - a coroa. A forma da coroa depende da actividade solar, e a coroa também se expande para o exterior, fazendo com que partículas de gás eléctricamente ionizadas fluam continuamente do Sol para o espaço, formando o vento solar.