Quando Plutão tem uma atmosfera, acredita-se que ela seja composta de metano, nitrogênio e monóxido de carbono na forma gasosa. Esta atmosfera emite gases do gelo na superfície de Plutão quando está mais próximo do Sol, o que aquece o planeta e faz com que o gelo sublime.
No entanto, quando Plutão se afasta do Sol, a atmosfera congela e cai na superfície.
Ironicamente, quando a atmosfera está no lugar, a superfície de Plutão é mais fria do que seria devido a um tipo de efeito estufa inverso. O metano, que é um gás de efeito estufa, causa uma inversão de temperatura na atmosfera, com temperaturas 6 milhas acima da superfície do planeta sendo mais quentes do que na superfície.
O fato de Plutão ter uma atmosfera não foi definitivamente provado até 1988, quando foi descoberto que uma estrela escurecia lentamente quando Plutão passava na frente dela. Se o planeta anão não tivesse atmosfera, a estrela teria simplesmente desaparecido. Ainda assim, a atmosfera plutoniana é tão fina que sua pressão atmosférica é apenas 1 /700.000 tão forte quanto a da Terra.
Em 2002, os cientistas encontraram mais nitrogênio do que o normal na atmosfera de Plutão. Acreditava-se que esse nitrogênio tivesse vindo do pólo sul, que estava recebendo luz solar pela primeira vez em mais de um século.
