Când Pluto are o atmosferă, se crede că este alcătuit din metan, azot și monoxid de carbon în formă gazoasă. Această atmosferă iese din gheață pe suprafața lui Pluto când este cea mai apropiată de soare, care încălzește planeta și determină sublimarea gheții.
Cu toate acestea, când Pluto se îndepărtează de soare, atmosfera îngheață și cade la suprafață.
În mod ironic, atunci când atmosfera este în loc, suprafața lui Pluto este mai rece decât este altfel datorită unui fel de efect de seră invers. Metanul, un gaz cu efect de seră, provoacă o inversare a temperaturii în atmosferă, cu temperaturi de 6 mile deasupra suprafeței planetei fiind mai caldă decât la suprafață.
Faptul că Pluto are o atmosferă nu a fost dovedit în mod sigur până în 1988, când a fost descoperit că o stea a încetat încet când Pluto a trecut în fața ei. Dacă planeta pitic nu avea nicio atmosferă, steaua pur și simplu ar fi dispărut. Totuși, atmosfera plutoniană este atât de subțire încât presiunea atmosferică este de numai 1 /700.000 la fel de puternică ca și Pământul.
În 2002, oamenii de știință au descoperit mai mult azot decât de obicei în atmosfera lui Pluto. Se credea că acest azot provenea din polul sudic, care primise lumina soarelui pentru prima dată în mai mult de un secol.
