Cuando Plutón tiene una atmósfera, se cree que está compuesto de metano, nitrógeno y monóxido de carbono en forma gaseosa. Esta atmósfera sale del hielo de la superficie de Plutón cuando está más cerca del sol, lo que calienta el planeta y hace que el hielo sublime.
Sin embargo, cuando Plutón se aleja del sol, la atmósfera se congela y cae a la superficie.
Irónicamente, cuando la atmósfera está en su lugar, la superficie de Plutón es más fría que lo normal debido a una especie de efecto invernadero inverso. El metano, que es un gas de efecto invernadero, provoca una inversión de temperatura en la atmósfera, con temperaturas de 6 millas por encima de la superficie del planeta que son más cálidas que en la superficie.
El hecho de que Plutón tenga una atmósfera no se demostró definitivamente hasta 1988, cuando se descubrió que una estrella se atenuaba lentamente cuando Plutón pasaba frente a ella. Si el planeta enano no tuviera atmósfera, la estrella simplemente habría desaparecido. Aún así, la atmósfera plutoniana es tan delgada que su presión atmosférica es solo 1 /700,000 tan fuerte como la de la Tierra.
En 2002, los científicos encontraron más nitrógeno de lo normal en la atmósfera de Plutón. Se creía que este nitrógeno provenía del polo sur, que recibía luz solar por primera vez en más de un siglo.
