Lorsque Pluton a une atmosphère, on pense qu'elle est composée de méthane, d'azote et de monoxyde de carbone sous forme gazeuse. Cette atmosphère dégaze de la glace à la surface de Pluton lorsqu'elle est la plus proche du soleil, ce qui réchauffe la planète et fait sublimer la glace.
Cependant, lorsque Pluton s'éloigne du soleil, l'atmosphère gèle et retombe à la surface.
Ironiquement, lorsque l'atmosphère est en place, la surface de Pluton est plus froide qu'elle ne l'est autrement en raison d'une sorte d'effet de serre inverse. Le méthane, qui est un gaz à effet de serre, provoque une inversion de température dans l'atmosphère, les températures à 10 km au-dessus de la surface de la planète étant plus chaudes qu'à la surface.
Le fait que Pluton ait une atmosphère n'a été définitivement prouvé qu'en 1988, lorsqu'il a été découvert qu'une étoile s'est lentement éteinte lorsque Pluton est passée devant elle. Si la planète naine n'avait pas du tout d'atmosphère, l'étoile aurait tout simplement disparu. Pourtant, l'atmosphère plutonienne est si mince que sa pression atmosphérique n'est que de 1/700 000 aussi forte que celle de la Terre.
En 2002, les scientifiques ont trouvé plus d'azote que d'habitude dans l'atmosphère de Pluton. On croyait que cet azote provenait du pôle sud, qui recevait la lumière du soleil pour la première fois depuis plus d'un siècle.
