如果大气情况能帮助空气垂直方向置换，就称为“不稳定大气”，即是较重的空气在较轻的空气上面。在这情况下，假设有一块空气因为某种原因上升时，无论上升至什么高度，都会觉得自己比周围空气暖而轻，因此会继续上升。相反来说，当它下降时，一定会感到自己比周围空气暖而轻，所以会继续下降。不稳定大气的垂直运动，不多是由于气流遇到障碍而产生。但在极不稳定的情况下，也可能由于地面受热而发生，这时垂直气流的开始可以根本不需要外力。当空气接触较暖地面或水面因而受热，或高空有冷空气流入，都可发展不稳定情况。不稳定大气中的天气现象主要因为垂直气流而产生，所形成的云必定属于积状云，例如积云，高积云等，所产生的降水会是骤雨，甚至雷雨，落雹或龙卷风。垂直气流能将地面附近不洁净的空气带往高空，所以近地地面处能见度良好。垂直气流亦能使飞机发生颠簸现象，称为湍流（turbulence）。