描述恒星大氣內各個物理量（如溫度、密度、氣體壓力、電子壓力等）隨大氣深度的分佈規律的理論模型。建立恒星大氣模型是恒星大氣理論的主要課題之一。為瞭建立恒星大氣模型，先要給定恒星的有效溫度Te（見恒星溫度）、表面重力加速度g和恒星大氣的化學組成，還要假定恒星大氣處於輻射平衡、局部熱動平衡和流體靜力學平衡狀態。後者指作用於於單位體積上的重力與壓力（氣體壓和輻射壓）梯度相平衡，即
式中
Pg和
P
r分別為氣體壓力和輻射壓力，
h為線深度，
ρ為物質密度，
x為平均吸收系數，它是電子壓力
Pe和溫度
T的函數，
τ為由
x確定的光學厚度，σ為斯忒藩－玻耳茲曼常數。
流體靜力學平衡條件確定瞭四個變量Te、Pe、Pg和τ之間的第一個關系。利用Pe和Pg的定義式和關於電子密度的公式(可由已知的化學組成和熱動平衡關系得到)可以消去電子密度，得到Te、Pe、Pg三者之間的第二個關系。把這兩個關系式連同由輻射平衡理論導出的溫度分佈規律(見輻射轉移理論)共三個關系式聯立起來，運用數值積分法，就能得到氣體壓力Pg和電子壓力Pe隨深度的分佈。原有的溫度分佈是已知的。物質密度ρ的分佈，也可由通常的物態方程及Pe和Te的分佈以及已知化學組成導出。
大氣模型的計算通常采用逐次近似的方法。從溫度的第一近似分佈出發，采用上述基於流體靜力學平衡的方法，計算其他物理量的第一近似分佈。再由各物理量的第一近似分佈，選用推求溫度分佈的逐次近似方法，導出溫度的第二近似分佈。重復上述步驟計算其他物理量的第二近似分佈，依此類推。逐次近似的準則是保證最後得到的總輻射流不隨深度變化，因為這是輻射平衡所要求的。
目前已計算出大量的各類光譜型的恒星大氣模型。對於一些著名的恒星如天琴座α、天鵝座α、大犬座α、小犬座α和鯨魚座δ等，已建立瞭各自特有的大氣模型。對於太陽，除瞭有理論的大氣模型外，還有經驗的大氣模型。它的溫度分佈規律是直接由觀測到的太陽臨邊昏暗規律導出的。此外，還研究瞭偏離輻射平衡和局部熱動平衡的大氣模型以及非均勻的、帶有湍動、對流和振動的大氣模型。