Pembiasan atmosfera ialah sisihan cahaya atau gelombang elektromagnet yang lain dari garisan lurus apabila ia melalui atmosfera disebabkan oleh ubahan dalam ketumpatan udara sebagai fungsi ketinggian. Ia biasa dalam kajian pembiasan menggunakan istilah ketinggian untuk mengungkapkan jarak menegak di atas tanah, atau vertical datum dan altitud untuk mengungkapkan ketinggian bersudut di atas ufuk Pembiasan ini disebabkan oleh halaju cahaya melalui udara, mengurangkan (indeks biasan meningkat) dengan ketumpatan yang meningkat. Pembiasan atmosfera dekat tanah mengeluarkan logamaya. Pembiasan sebegitu boleh juga menaik atau menurun, atau meregang atau memendek, imej objek jauh tanpa melibatkan logamaya. Udara bergelora boleh membuatkan objek jauh nampak berkelip atau berkilau. Istilah tersebut juga digunakan untuk pembiasan bunyi. Pembiasan atmosfera dipertimbangkan dalam mengukur kedudukan kedua-dua objek cakerawala dan bumi.