恒星大氣明顯地不處於熱動平衡狀態。各類恒星大氣偏離熱動平衡的程度各不相同。對偏離熱動平衡不大的恒星大氣，可以引入局部熱動平衡假設來近似地表述它的熱狀態。但在許多情況下，如太陽色球、日冕、有延伸大氣的恒星、行星狀星雲、星雲、星際物質等的物理狀態，偏離熱動平衡較大，甚至局部熱動平衡假設也不能適用。這種物理狀態稱為非局部熱動平衡(NLTE)。
在非局部熱動平衡狀態下，原子的激發、電離、輻射和物質的相互作用等，都不能簡單地用一個個局部溫度來表述。如果所研究的天體是穩定的，表述它的物理量應不隨時間變化或隻隨時間作緩慢的變化。這種情況下，可以應用穩定性條件。處於各種狀態(電離級或激發態)的原子數目應不隨時間變化，據此建立起原子的統計平衡（即粗糙平衡）方程。它表示在單位時間內到達某一狀態的原子總數與離開這一狀態的原子總數相等。由於原子的統計平衡又和輻射場密切相關，所以在處理非局部熱動平衡問題時，必須把輻射轉移方程（見輻射轉移理論）和原子的統計平衡方程組聯立起來求解。