Плутон — единственный транснептуновый объект, у которого обнаружена атмосфера. Она была открыта в 1985 году, и до недавнего времени её изучали с Земли главным образом с помощью методов спектроскопии. В 2015 году атмосфера этой карликовой планеты была исследована с близкого расстояния автоматической межпланетной станцией NASA «Новые горизонты» (New Horizons).
Атмосфера Плутона очень разрежена и состоит из газов, испаряющихся из поверхностного льда. Давление атмосферы около поверхности примерно в 100 000 раз меньше, чем на Земле. Главный компонент – азот (N2, более 99%) с примесью метана (СН4, около 0,25 %) и монооксида углерода (CO, около 0,05—0,1%). Температура на поверхности составляет от 40 до 60 К, но с высотой она быстро растёт. На высоте 20-30 км она достигает 110 K, затем медленно снижается. Под действием жёсткого излучения из атмосферных газов образуются более сложные соединения – этан, этилен, ацетилен, постепенно выпадающие на поверхность. По мнению учёных, их частицы образуют лёгкую слоистую дымку, достигающую высот более 200 км. Дымка окутывает всю карликовую планету и по данным бортового спектрометра зафиксирована на высоте 300 км. Количество слоёв дымки достигает 20, но высота и плотность одного и того же слоя в разных местах может различаться. Над северной полярной областью она в 3 раза плотнее, чем над экваториальной. Толщина слоёв варьирует от 1 до 10 км. Размер частиц дымки неясен, возможно от 10 до 100 нм.
Из-за эксцентричности орбиты в афелии Плутон получает почти втрое меньше тепла, чем в перигелии. Это, по мнению учёных, должно вызывать в его атмосфере значительные изменения, но в их деталях остаётся много неясного. Первоначально считалось, что в афелии атмосфера должна практически полностью замерзать и выпадать на поверхность в виде льда, но более подробные модели предсказывают, что Плутон обладает заметной атмосферой на протяжении всего своего года.
Сезонные изменения количества солнечного света приводят также к миграции поверхностных льдов: в некоторых местах лёд возгоняется, а в других конденсируется. При этом, метан и монооксид углерода, несмотря на малое содержание, влияют на температуру атмосферы: метан её повышает за счёт парникового эффекта, а монооксид углерода понижает за счёт антипарникового эффекта.