Хотя в целом Солнце представляет собой довольно стабильный шар светящегося газа, в его атмосфере постоянно происходят локальные бурные процессы. С Земли мы видим, как на ярком солнце появляются "тени", а на безупречной поверхности Солнца возникают небольшие "веснушки". Атмосфера Солнца состоит из трех слоёв: фотосферы, хромосферы и короны. То, что мы видим непосредственно с Земли, — это самый нижний слой фотосферы. Хромосфера и корона могут быть наблюдаемы только во время полного солнечного затмения. То, что мы обычно видим как солнечный диск, — это фотосфера. Температура фотосферы составляет около 5800 К, а средняя плотность — всего несколько сотых миллиона от плотности воды, но из-за её толщины в 500 км она непрозрачна. Поверхность фотосферы кажется гладкой, но на самом деле это бушующее море огня. В фотосфере происходят бурные процессы, и с помощью телескопа можно увидеть на её поверхности густую сетку структур, напоминающих рисовые зёрна, которые называют гранулами. Они поднимаются и опускаются, как будто в кипящей каше, на самом деле это результат сильной конвекции газов под фотосферой. Температура гранул на 300–400 К выше окружающей среды, поэтому они кажутся более яркими на фоне заднего плана; размер отдельной гранулы составляет около 1000 км, но она очень нестабильна, средняя продолжительность её жизни составляет всего 5–10 минут. Ещё одно известное явление на поверхности фотосферы — солнечные пятна. Это огромные вихри газа в фотосфере, часто имеющие овальную форму. На самом деле солнечные пятна не являются тёмными, просто температура в их центре на 1000 К ниже, чем в окружающей фотосфере, поэтому они выглядят более тёмными на фоне яркого заднего плана, а на самом деле их температура превышает 4000 К. Если отделить солнечное пятно, его свет будет сопоставим со светом полной Луны.
Слой атмосферы, расположенный непосредственно над фотосферой, называется хромосферой, и его обычно трудно наблюдать. Во время полного солнечного затмения, когда Луна на мгновение закрывает яркий свет фотосферы, можно заметить на краю солнечного диска великолепную розовую ауру — это хромосфера. Хромосфера имеет толщину около 2000 км, и её вещество обладает гораздо меньшей плотностью и давлением, чем у фотосферы. На хромосфере часто происходят вспышки, представляющие собой ещё одно сложное и бурное явление в солнечной атмосфере, проявляющееся внезапным появлением и быстрым развитием локальных ярких пятен. Вспышки выделяют энергию за несколько минут или десятки минут, сопоставимую с общей энергией, выделяемой Солнцем за одну секунду. Вспышки могут вызывать солнечные бури, при которых большое количество высокоэнергетических заряженных частиц (общим объёмом до 1 миллиарда тонн) со скоростью в несколько сотен километров в секунду обрушиваются на планеты. Если солнечная буря направлена в сторону Земли, она может оказать большое влияние на окружающую среду вблизи планеты. На хромосфере также можно наблюдать множество поднимающихся огненных столбов, называемых солнечными выбросами. Солнечные выбросы — это быстро меняющиеся активные явления на хромосфере, полный цикл которых обычно длится несколько десятков минут. Одновременно форма солнечных выбросов может быть самой разнообразной: от парообразных облаков до водопадов и арки, от кустистых зарослей до невообразимых форм. Самым впечатляющим являются эруптивные выбросы, когда спокойные или активные выбросы внезапно "вспыхивают", выбрасывая газовые материалы вверх. Иногда выброшенный материал возвращается на поверхность Солнца, образуя кольцо, называемое кольцевым солнечным выбросом.
В течение короткого времени во время полного солнечного затмения мы часто можем видеть вокруг Солнца не только великолепную хромосферу, но и большой бело-голубой ореол — это самый внешний слой солнечной атмосферы — корона. Форма короны зависит от солнечной активности, и корона также может расширяться во внешнее пространство, вызывая непрерывный выброс горячего ионизированного газа, образуя солнечный ветер.