最初认为，随着冥王星不断远离太阳，它的大气层应该逐渐冻结在表面上。后来，通过新视野数据和地面掩星的研究表明，冥王星的大气密度却在增加，并且可能在整个冥王星轨道周期中维持气态。
新视野号的观测表明，大气中氮气的逸出量比预期的少10，000倍。艾伦·斯特恩争辩说，即使冥王星的表面温度略有升高，也可能导致冥王星的大气密度呈指数增长。从18hpa到280hpa百帕，从火星的三倍到地球的四分之一。在这样的大气密度下，氮气会以液体形式流过整个表面。就像汗水从皮肤上蒸发时会冷却身体一样，冥王星的大气升华也会使其表面冷却。大气气体的存在可以追溯至1670千米高度，没有明确的上边界。
冥王星大气中甲烷一个种强大的温室气体的存在会引起温度反转，其大气的平均温度比其表面高几十度。尽管新视野号的观测表明冥王星的高层大气要冷得多。冥王星的大气层被分成大约20个规则间隔的薄雾层，最高可达150千米，这被认为是冥王山脉上的气流产生压力波的结果。
2015年7月，新视野号探测器陆续发送冥王星冰山、冰块、陨坑，甚至积雪的图像，显示冥王星有存在云层的证据。左侧图片显示斯普特尼克平原东南部上空有一道非常明亮的低空烟雾，图片右侧Krun macula区域阳光照射表面存在一个离散模糊云层，但是新视野号研究团队无法证实云层的真实存在。约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室发言人称，研究小组认为这是冥王星大气层存在的证据，其中包括复杂的雾霾，科学家继续分析和讨论输入数据。
这项研究产生一个疑问——是否冥王星应当恢复行星地位。如果冥王星存在云层，则意味着它存在着一个活跃的表面物质循环，像地球的水循环或者土卫六的甲烷循环。这项研究产生了关于冥王星表面和大气层的新疑问，英国皇家天文学会主席马丁·巴斯托教授说：“这是新视野号探测器飞越冥王星时令人兴奋的新发现，虽然我认为需要一些时间来理解我们所观测到的信息。与地球相比，冥王星大气层更稀薄，因此是否有云层存在较大的不确定性。巴斯托说：“地球大气云层是大气层中悬浮水滴形成的，我们可能看到冥王星上的一个类似效应，但不一定是水，尤其当温度非常低时，或者表面释放物质形成云层，因此我们看到的区域存在更多气体，看上去比周围区域更加不透明。但是物理学家强调称，即使冥王星存在某种类型的活跃周期，它并不会恢复行星身份。巴斯托指出，太阳系其它星球也存在着活跃周期，例如：土卫六，土星最大的卫星，我并不认为这项最新研究会成为恢复冥王星行星身份的有力证据。
冥王星有五颗已知的自然卫星，其中最大最接近冥王星的是冥卫一。