最大电子密度约为10厘米，大约位于300千米高度附近。除正规层次外，电离层区域还存在不均匀结构，如偶发e层（es）和扩展f。偶发e层较常见，是出现于e层区域的不均匀结构。厚度从几百米至一二千米，水平延伸一般为0.1～10千米，高度大约在110千米处，最大电子密度可达10厘米。扩展f是一种出现于f层的不均匀结构，在赤道地区，常沿地磁方向延伸，分布于250～1000千米或更高的电离层区域。
电离层分层结构只是电离层状态的理想描述，实际上电离层总是随纬度、经度呈现复杂的空间变化，并且具有昼夜、季节、年、太阳黑子周等变化。由于电离层各层的化学结构、热结构不同，各层的形态变化也不尽相同。
电离层模式是电离层诸参量随高度变化的数学描述。这种变化与地理位置、季节、地方时，以及太阳和地磁活动性有关。复杂的电离层形态给实际应用带来极大困难，因此，人们在大量实测数据的基础上，用较简单的数学模式描述电离层形态和结构，以便在无线电通信和宇宙航行等工程设计中应用。研究最多的是对无线电波传播有直接影响的电子密度模式。
式中n(h)为离地面高度h处的电子密度；h0为起算高度；a为常数；ɑ为层的半厚度。这些模式只能描述电离层电子密度剖面的某一部分。为了完整地描述剖面，须在不同部分采用不同的数学表达式。
对f层峰值以下的电子密度剖面，可按照不同的实际应用，采用不同的组合模式。国际无线电咨询委员会推荐用于短波场强计算的布雷德利－杜德奈模式，是抛物模式(f2层)-线性模式（f1层）-抛物模式（e层）的组合模式。模式参数可以从电离层观测站所得到的特性参数推算出来。一般情况下，所得的电子密度分布与实际分布的高度差别小于20公里。其他的模式还有：余弦模式（f2层）-正割模式（e-f层）-抛物模式（e层）的组合模式，可用于精度要求较高的射线追踪计算；抛物模式（f2）层与多项式组合模式，便于从电离层垂测仪的频率-高度图计算f2层的峰值高度、峰处标高和等效峰下平板厚度。
《国际参考电离层》(iri，1979)给出的电子密度、电子温度和离子温度剖面。
包括f层峰值区域在内的电子密度剖面中，较典型的有本特模式和宾夕法尼亚州1号电离层模式。本特模式的高度范围约从150公里到2000公里。峰值高度以下为抛物平方模式，峰值高度以上为抛物模式；更高的高度上为三个相接的指数模式。
本特模式忽略剖面（特别是f部区域）的细节，着眼于精确地表达电离层电子含量。它适用于计算无线电波由于折射所造成的时延和方向的变化。宾夕法尼亚州1号电离层模式（120～1250公里）是在一个经验所得的高度范围内，模拟电离层的物理化学过程，通过调节电离反应速度和垂直电子流计算电子密度。这一模式主要用于研究输运过程和风的衰减等理论问题。
国际无线电科学联盟和美国空间研究委员会根据电离层的实测资料编制成《国际参考电离层》，它是一套专门的计算机程序，输入数据为地理经度和纬度、月份、本地时间、太阳黑子数。输出数据为电离层诸参量的垂直分布。图3为输出剖面示例。
由于来自外空，太阳和地球大气本身的各种扰动源的激发，电离层还会产生相应的扰动变化和不规则结构，表现各种不同的形态（见电离层扰动、电离层不均匀体、电离层调变）
实际上电离层不像上面所叙述的那样由规则的、平滑的层组成。实际上的电离层由块状的、云一般的、不规则的电离的团或者层组成。
夏季由于阳光直射中纬度地区的f2层在白天电离度加高，但是由于季节性气流的影响夏季这里的分子，对单原子的比例也增高，造成离子捕获率的增高。
这个捕获率的增高甚至强于电离度的增高。因此造成夏季f2层反而比冬季低。这个现象被称为冬季异常。在北半球冬季异常每年都出现，在南半球在太阳活动低的年度里没有冬季异常。
朝阳面电离层里的电流在地球磁赤道左右约±20度之间f2层形成一个电离度高的沟，这个现象被称为赤道异常。其形成原因如下：在赤道附近地球磁场几乎水平。由于阳光的加热和潮汐作用电离层下层的等离子上移，穿越地球磁场线。这在e层形成一个电流，它与水平的磁场线的相互作用导致磁赤道附近±20度之间f层的电离度加强。
太阳活跃时期强烈的耀斑发生时硬x射线会射击到地球。这些射线可以一直穿透到d层，在这里迅速导致大量自由电子，这些电子吸收高频（3-30mhz）电波，导致无线电中断。与此同时及低频（3-30khz）会被d层（而不是被e层）反射（一般d层吸收这些信号）。x射线结束后d层电子迅速被捕获，无线电中断很快就会结束，信号恢复。
耀斑同时也释放高能质子。这些质子在耀斑爆发后15分钟至2小时内到达地球。这些质子沿地球磁场线螺旋在磁极附近撞击地球大气层，提高d层和e层的电离。极冠吸收可以持续一小时至数日，平均持续24至36小时。
地磁风暴是地球磁场暂时的、剧烈的骚扰。地磁风暴时f2层非常不稳定，会分裂甚至完全消失。在极地附近会有极光产生。
电离层图显示使用电离层探测仪测量的电离层层次的高度及其临界频率。电离层探测仪垂直向电离层发送一系列频率（一般从0.1至30mhz）。随频率增高，信号在被反射前可以穿透更高的层。最后频率高到不再被反射。
太阳流是使用加拿大渥太华的一台射电望远镜测量的太阳辐射在2800mhz频率的强度。测量结果证明这个强度与太阳黑子活动相称。不过导致地球大气上层电离的主要是太阳的紫外线和x射线。地球静止业务环境卫星可以测量太阳的x射线流。这个数据与电离层的电离度更加相应。
科学家使用不同手段研究电离层的结构，包括被动观测电离层产生的光学和无线电信号，研究不同的射电望远镜被反射的信号，以及被反射的信号与原信号之间的差别。
1993年开始的为期20年的高频主动极光研究计划以及类似的项目研究使用高能无线电发射机来改变电离层的特性。这些研究集中于研究电离层等离子体的特性来更好地理解电离层，以及利用它来提高民用和军事的通讯和遥测系统。