Kiedy Pluton ma atmosferę, uważa się, że składa się z metanu, azotu i tlenku węgla w postaci gazowej. Ta atmosfera wylatuje z lodu na powierzchni Plutona, kiedy jest najbliżej słońca, co ogrzewa planetę i powoduje sublimację lodu.
Jednak gdy Pluton odsunie się od słońca, atmosfera zamarza i spada na powierzchnię.
Jak na ironię, kiedy atmosfera jest na miejscu, powierzchnia Plutona jest zimniejsza niż w innym przypadku z powodu swego rodzaju odwrotnego efektu cieplarnianego. Metan, który jest gazem cieplarnianym, powoduje inwersję temperatury w atmosferze, przy czym temperatury 6 mil powyżej powierzchni planety są cieplejsze niż na powierzchni.
Fakt, że Pluton ma atmosferę, nie został definitywnie udowodniony aż do 1988 roku, kiedy odkryto, że gwiazda powoli ściemniała się, gdy Pluto przeszedł przed nią. Gdyby karłowata planeta nie miała atmosfery, gwiazda po prostu by zniknęła. Jednak atmosfera Plutonian jest tak cienka, że jej ciśnienie atmosferyczne jest tylko 1/700 000 tak silne jak ziemskie.
W 2002 r. naukowcy odkryli więcej azotu niż zwykle w atmosferze Plutona. Uważano, że ten azot pochodzi z bieguna południowego, który po raz pierwszy od ponad stu lat otrzymuje światło słoneczne.
