Atmosféry hnedých trpaslíkov majú pre nás pozemšťanov exotický a v mnohých ohľadoch extrémny charakter. Nachádzajú sa v nich oblačné vrstvy najrozmanitejších látok, z ktorých niektoré sa na Zemi vyskytujú ako horniny. Prší tu železo, padá soľný sneh...

Všetky informácie získané o hnedých trpaslíkoch pochádzajú z ich atmosfér. Práve v nich sa vytvára spektrum, ktoré zaznamenávame detektormi ďalekohľadov.

Atmosféra je tenká dynamická vrstva prenášajúca teplo zvnútra telesa do okolitého priestoru. Podľa jej schopnosti prepúšťať alebo pohlcovať toto vnútorné teplo, sa energia prenáša buď žiarením, alebo konvekciou (premiešavaním). Prenos žiarením dominuje u čistých bezoblačných atmosfér, konvekcia zasa v prípade oblačných vrstiev, kde sa vnútorné teplo nestíha efektívne vyžarovať.

Existencia oblakov bola potvrdená aj pozorovaniami. Z nepatrných zmien jasnosti hnedých trpaslíkov vyplýva, že atmosféry obsahujú rýchlo sa pohybujúce oblaky zacláňajúce horúce vnútro. V závislosti od výšky (teploty, tlaku) v atmosfére môžu oblaky obsahovať prachové častice rôznej veľkosti a zloženia. Pri vyšších teplotách sa prach môže roztaviť a premeniť na dážď roztaveného kovu. Počasie na takýchto telesách musí byť mnohokrát extrémnejšie a divokejšie ako napr. vo vnútri známej Jupiterovej Veľkej červenej škvrny.

Prach sa zoskupuje vo vrstve, ktorá pokiaľ nie je celistvá, vytvára oblaky. Oblasť vzniku (kondenzácie) prachových čiastočiek konkrétnej látky závisí od teploty a tlaku v danom mieste atmosféry. Pokým prachové častice nedorastú do určitého rozmeru, sú nestabilné. Nad tento rozmer sa neustále zväčšujú. Sformované veľké zrnká klesajú hlbšie pod priehľadnú časť atmosféry, kde sa rozpúšťajú (vzniká dážď), alebo vyparujú. Preto u chladnejších hnedých trpaslíkov spektrálnej triedy T, na rozdiel od triedy L, pozorujeme v atmosfére výrazne menej prachu. Prachová vrstva sa nachádza pod oblasťou vzniku nami pozorovaného spektra v hlbších častiach telesa. V teplých atmosférach je vyrovnaná tvorba a rozpad prachových častíc, preto je prach v telesách triedy M až L pozorovateľný.

Opísaný proces môžeme porovnať napr. s oblakmi v zemskej atmosfére, ktoré môžu v závislosti od teploty obsahovať vodu buď v pevnom (ekvivalent prachových častíc), alebo kvapalnom skupenstve. Rozdiel je len v tom, že atmosféru Zeme ohrieva Slnko, teda vonkajší zdroj tepla.

Najrozšírenejšími prvkami v atmosférach sú samozrejme H a He. Nasledujú C, N, O, Si, Mg, Ca, Al, Na, K, Li, Ti, V, Fe. Všetky tieto prvky (okrem inertných plynov He, Ne, Ar) sú zložkami rôznych chemických látok. V atmosférach dochádza k chemickým reakciám, ktoré sú dôsledkom zmeny teploty a tlaku. (napr. pri znížení tlaku reaguje prostredie proti tejto zmene zvýšením počtu molekúl).

Vodíku, aj keď sa zúčastňuje mnohých chemických reakcií, je stále dosť. Prachové častice sa formujú so silikátov Si a Mg a taktiež zo Ca a Al, ktorých je síce menej ako Si a Mg, no sú prvé, ktoré so znižujúcou sa teplotou začínajú kondenzovať. Uhlík oproti chladným hviezdam už nie je viazaný do molekúl CO, ale do metánu (CH4), ktorý je pri teplotách pod 1600 K a  väčšej hustote stabilnejší. Obdobne sa zvyšný O viaže s H na H2O. Dusík sa spája s H na NH3, prípadne do molekúl N2. Alkalické kovy (Na, K, Li) začínajú kondenzovať pod teplotou 1300 K a s chloridmi sa zlučujú do solí. Látky ako TiO, FeH, CaH, nachádzajúce sa v atmosférach telies spektrálnych tried M a L sa pri znižujúcej teplote transformujú na perovskit (CaTiO3), Fe a akermanit (Ca2MgSi2O7). Z nich vznikajú kvapky zoskupujúce sa do oblakov absorbujúcich hlavne v optickej časti spektra. Pri nižších teplotách sa spájajú do nerastov forsterit (Mg2SiO4), korund (Al2O3) a enstatit (MgSiO3).

Keby sme mali možnosť sledovať ako počas evolúcie hnedý trpaslík postupne chladne, alebo cestovať z vnútra k najvrchnejším častiam jeho atmosféry, prechádzali by sme vrstvami rôznych látok. Najprv by sme narazili na  oblačnú vrstvu železných kvapiek. Hneď na to by sme sa dostali do prachového závoja tvoreného Ca a Al. Ešte vyššie sa nachádza hrubá vrstva kremičitanov, konkrétne forsteritu (Mg2SiO4). Nad ňou by sme zrazu vyleteli nad oblaky do priehľadnej oblasti, kde sa len miestami vyskytuje hmla  pozostávajúca z solí (NaCl a KCl), ktoré kondenzujú pri teplotách okolo 1300 K. Pri ďalšom postupe smerom hore, by sa dohľadnosť zasa znížila, lebo by sme vyleteli do oblakov tvorených vodou, nad ktorými je hrubá vrstva amoniakových (NH3) alebo metánových (CH4) mrakov. V každej zo spomínaných vrstiev dochádza buď k dažďu alebo "sneženiu".

Od teploty atmosféry (veku telesa) záleží, ktoré z týchto vrstiev sa nachádzajú tam, kde sa vytvára spektrum hnedého trpaslíka, teda absorbčné čiary akých látok sa v spektre konkrétneho telesa pozorujú.