冥王星的大气层顶要比地球还要大，尽管冥王星本身还不到地球大小的一个零头。虽然冥王星的个头还不到地球的一个零头，但冥王星的大气延伸的范围却超过地球大气。根据NASA新视野号探测器发回的数据，包裹在这颗矮行星周围的气体向外延伸达1600千米。这个数据是地球大气的13倍，因为地球大气只延伸到地表以上大约120千米。此前在地球上对冥王星的观测，只记录到冥王星大气向外延伸达270千米。
在飞掠冥王星大约1个半小时之后，新视野号利用紫外线成像光谱仪（Alice）收集了有关冥王星大气的信息。这样的数据必须在一个特殊的时刻才能收集，也就是新视野号穿过冥王星阴影、这颗矮行星完全处在逆光的时候。这一事件被称为掩日，能够让光谱仪测量穿透冥王星大气后阳光的波长。这些波长中发生的变化，将帮助研究者确定冥王星的大气由什么气体构成。在最高处，冥王星大气主要由氮分子构成。
稍稍靠近冥王星，氮气中就会甲烷混入。而在最低处，还会有更多碳氢化合物出现。新视野号在冥王星身后探测到了一条离子尾。这些气体混合物中，有很大一部分还在逃往太空——每小时大约逃逸500吨的物质。NASA新视野号团队成员弗朗·巴格纳尔（Fran Bagenal）指出，大气中的气体之所以能够逃入太空，主要是因为冥王星的引力太弱。不过她也表示，太阳风可能在不断撞击这些逃逸的大气，裹挟着它们逃入到太空之中。
新视野号上的冥王星太阳风分析仪（SWAP）发现了证据，表明冥王星的身后拖着一条离子长尾——这是来自太阳的电离粒子与大气混合，推动气体向太阳系边缘逃逸的结果。
目前，新视野号已经越过冥王星，距离冥王星超过300万千米，探测器传回地球的数据还不到飞掠时采集全部数据的2%。巴格纳尔说，随着新视野号上其他科学设备采集的更多数据传回地球，他们将能够推断出更多有关冥王星大气的信息。到下个星形在，我们应该能够接收到5%的全部数据，所有数据回传完毕，则要等到16个月之后了。