大気圏には窒素や酸素などの気体があり、上空では太陽からの光線や宇宙線が飛んできて大気圏の上層部で気体を分解したり、電離したりするのですが、飛んでくる粒子などのエネルギーと大気の密度の違いによって、イオンと電子の密度が異なり、それが層状になっていて、これを電離層とよんでいます。
電離層は高度約80kmから500kmの間に存在し、電子密度の違いによって、下から順にD層（80km)、E層（100-120km)、F1層(170-230km）、F2層（200-500km)の４つに分けられ、上層に行くほど電子密度は高く、下層は電子密度が低く、夜間は太陽からの宇宙線が届かないため、電子密度は小さくなります。夜間には太陽から飛来する光や粒子が地球の裏側には当たらないことから、最下層のD層は消滅し、またF1層とF2層も合体しF層（300-500km）となります。
電波は周波数が高いと電子密度の低い電離層を貫通し、減衰します。
周波数が低いと電子密度の低い電離層でも反射します。
長波は、昼はD層で反射して、電波は地表でも反射するので、電波はD層と地表の間を反射しながら地球の丸みに沿って伝わることから長距離通信が可能になります。D層が消滅する夜はE層で反射される（中波に似る）。
中波は昼はD層で減衰されてしまうため、E層にほとんど届きませんが、D層が消滅する夜にはE層で反射され、数百から1000km以上の遠くまで届くようになります。
短波は、常にD層を通り抜けEまたはF層で反射されますが，昼と夜では電離層の状態が異なるので、昼は高い周波数が、夜は低い周波数が反射されるようになります。
VHF・UHF以上の高い周波数の電波は、電離層を通り抜けてしまうので反射はなく、地球上の遠い地点には伝わりませんが、電離層を通り抜ける性質を使い、人工衛星や電波天文学など宇宙との通信に利用されます。
電離層の性質は太陽活動の変動や昼間と夜間では粒子等の飛来量が変化し、電離層の電子密度が変化することから電波の伝搬状態も変化します。
夏の高温時に非常に電子密度が高い電離層が出現し通常は反射しない電波が反射し非常に遠方に電波が届くことがあり、この電離層をスポラディックE層といいます。
太陽フレアが発生すると太陽からの粒子等が急激に増加し、電波の伝わり方が急激に変化し、ある周波数が伝わらなくなったり、ある周波数では通常伝わらなくない遠方まで伝わってしまったりする現象があり、これをデリンジャー現象(Dellinger phenomenon)といいます。
1902年にケネリー（アメリカ）、ヘビサイド（Oliver Heavisideイギリス）の両名がほとんど同時に電離層の存在を予言しています。
