电离层的发现，不仅使人们对无线电波传播的各种机制有了更深入的认识，并且对地球大气层的结构及形成机制有了更清晰的了解。
1899年尼古拉·特斯拉试图使用电离层进行远距无线能量传送。他在地面和电离层所谓的科诺尔里亥维赛层之间发送极低频率波。基于他的试验的基础上他进行了数学计算，他对这个区域的共振频率的计算与今天的试验结果相差不到15%。1950年代学者确认这个共振频率为6.8Hz。
1901年12月12日古列尔莫·马可尼首次收获跨大西洋的信号传送。马可尼使用了一个通过风筝竖起的400英尺长的天线。在英国的发送站使用的频率约为500kHz，其功率为到那时为止所有发送机的100倍。收到的信号为摩尔斯电码中的S（三点）。要跨越大西洋，这个信号必须两次被电离层反射。继续理论计算和今天的试验有人怀疑马可尼的结果，但是1902年马可尼无疑地达到了跨大西洋传播。
1902年奥利弗·黑维塞提出了电离层中的科诺尔里亥维赛层的理论。这个理论说明电波可以绕过地球的球面。这个理论加上普朗克的黑体辐射理论可能阻碍了射电天文学的发展。事实上一直到1932年人类才探测到来自天体的无线电波。1902年亚瑟·肯乃利ArthurKennelly还发现了电离层的一些电波-电子特性。
1912年蓝色星球M国国会通过1912年广播法案，下令业余电台只能在1.5MHz以上工作。当时政府认为这以上的频率无用。致使1923年使用电离层传播高频无线电波的发现。
1947年爱德华·阿普尔顿因于1927年证实电离层的存在获得诺贝尔物理学奖。莫里斯·威尔克斯和约翰·拉克利夫研究了极长波长电波在电离层的传播。维塔利·金兹堡提出了电磁波在电离层这样的等离子体内的传播的理论。
1962年加拿大卫星Alouette1升空，其目的是研究电离层。其成功驱使了1965年Alouette2卫星的发射和1969年ISIS1号和1971年ISIS2号的发射。这些卫星全部是用来研究电离层的。
大气的电离主要是太阳辐射中紫外线和X射线所致。此外，太阳高能带电粒子和银河宇宙射线也起相当重要的作用。地球高层大气的分子和原子，在太阳紫外线、Χ射线和高能粒子的作用下电离，产生自由电子和正、负离子，形成等离子体区域即电离层。电离层从宏观上呈现中性。电离层的变化，主要表现为电子密度随时间的变化。而电子密度达到平衡的条件，主要取决于电子生成率和电子消失率。
电子生成率是指中性气体吸收太阳辐射能发生电离，在单位体积内每秒钟所产生的电子数。电子消失率是指当不考虑电子的漂移运动时，单位体积内每秒钟所消失的电子数。带电粒子通过碰撞等过程又产生复合，使电子和离子的数目减少；带电粒子的漂移和其他运动也可使电子或离子密度发生变化。
电离层形态是电离层中电子密度等基本参量的空间结构（高度和经纬度分布）及其随时间（昼夜、季节和太阳活动周期）变化的情况。电离层可从低到高依次分为D层、E层和F层等，其中F层还可分为F1层和F2层。E层和F1层中，电子迁移作用较小，具有查普曼层的主要特性。层的临界频率П（其平方正比于峰值电子密度）与太阳天顶角e近似地满足由简单层理论所导出的关系式П=ɑcose兆赫，式中ɑ和b为常数。这个关系式反映了电离层电子密度随时间和地区变化的基本趋势。在较高的F2层，电离输运起着重要作用；在地球磁极，存在着外来带电粒子的轰击，形态更为复杂。D层和F1层的峰形一般并不很凸出。
4.2D：层离地面约50～90公里。白天，峰值密度NmD和相应高度hmD的典型值分别为10厘米和85公里左右。无线电波中的短波在该层受到较大的吸收。太阳活动最高年的吸收几乎是最低年的两倍。一年之中，NmD的夏季值大于冬季值，但在中纬地区，冬季有时会出现异常吸收。夜间，电离基本消失。
4.3E层：离地面约90～130公里。白天，峰值密度NmE及其相应高度hmE的典型值分别为10厘米和115公里。NmE的昼夜、季节和太阳活动周期三种变化，大致符合简单层理论公式，分别于中午、夏季和活动高年达到最大值；这时，公式中常量ɑ0.91801.44R，b0.25，R为12个月内太阳黑子数流动平均值。夜间，NmE下降，hmE上升；NmE5×10厘米，hmE的变化幅度一般不超过20公里。
4.4F层：离地面约130公里以上，可再分为F1和F2层。①F1层（离地面约130～210公里）：白天，峰值密度NmF1及其相应高度hmF1的典型值分别为2×10厘米和180公里。F1层峰形夜间消失，中纬度F1层只出现于夏季，在太阳活动高年和电离层暴时，F1层变得明显。NmF1和hmF1的变化与E层类似，大致符合简单层的理论公式，这时ɑ4.30.01R，b0.2。
②F2层（离地面约210公里以上）：反射无线电信号或影响无线电波传播条件的主要区域，其上边界与磁层相接。白天，峰值密度NmF2及其相应高度hmF2的典型值分别为10厘米；夜间，NmF2一般仍达5×10厘米。在任何季节，NmF2的正午值都与太阳活动性正相关。hmF2与太阳活动性一般也有正相关关系，除赤道地区外，夜间值高于白天值。在F2层，地球磁场大气各风系、扩散和其他动力学因素起着重要的作用，其形态变化不能用查普曼的简单层理论来描述，于是F2层比起E层和F1层便有种种“异常”。所谓日变化异常是指F2层电子密度的最大值不是出现在正午通常是在本地时间13时至15时，同时NmF2还具有半日变化分量，其最大值分别在本地时间上午10～11时和下午22～23时。季节异常是指F2层正午的电子密度在冬季要比夏季高。赤道异常是指F2层电子密度并不在赤道上空最大，它明显地受地磁场控制，其地理变化呈“双峰”现象，在磁纬±20度附近达到最大值。在高纬度地区，可观测到许多与带电粒子沉降有关的异常现象。其中，最为重要的是F层“槽”，这是地球背阳面上从极光圈开始朝向低纬宽约5～10度的低电子密度的带区。
峰上固定高度的电子密度和电离层电子总含量的时间变化，与NmF2有类似之处。图2为电离层各层的峰值密度Nm和相应高度hm在中纬度地区的平均昼夜变化。
除上述各均匀厚层外，电离层还存在着两种较常见的不均匀结构：Es层即偶发E层（见Es层电波传播）和扩展F层（见电离层不均匀体）。
太阳辐射使部分中性分子和原子电离为自由电子和正离子，它在大气中穿透越深，强度（产生电离的能力）越趋减弱，而大气密度逐渐增加，于是，在某一高度上出现电离的极大值。大气不同成分，如分子氧、原子氧和分子氮等，在空间的分布是不均匀的。它们为不同波段的辐射所电离，形成各自的极值区，从而导致电离层的层状结构。电离层在垂直方向上呈分层结构，一般划分为D层、E层和F层，F层又分为F1层和F2层。