Planeta tak mała i tak gorąca jak Merkury nie ma możliwości zachowania znaczącej atmosfery, jeśli kiedykolwiek ją miała. Aby być pewnym, ciśnienie powierzchniowe Merkurego jest mniejsze niż jedna trylionowa część ciśnienia ziemskiego. Niemniej jednak, ślady składników atmosfery, które zostały wykryte, dostarczyły wskazówek na temat interesujących procesów planetarnych. Mariner 10 znalazł niewielkie ilości atomowego helu i jeszcze mniejsze ilości atomowego wodoru w pobliżu powierzchni Merkurego. Atomy te pochodzą w większości z wiatru słonecznego – strumienia naładowanych cząstek ze Słońca, które rozprzestrzeniają się na zewnątrz Układu Słonecznego – i pozostają w pobliżu powierzchni Merkurego przez bardzo krótki czas, być może zaledwie kilka godzin, zanim uciekną z planety. Mariner wykrył również atomowy tlen, który wraz z sodem, potasem i wapniem, odkrytymi później w obserwacjach teleskopowych, pochodzi prawdopodobnie z gleb powierzchniowych Merkurego lub uderzających meteoroidów i wyrzucany jest do atmosfery albo przez uderzenia, albo przez bombardowanie cząstkami wiatru słonecznego. Gazy atmosferyczne mają tendencję do gromadzenia się na nocnej stronie Merkurego, ale są rozpraszane przez wspaniałe poranne światło słoneczne.
Wielu atomów w skałach powierzchniowych Merkurego i w jego napiętej atmosferze ulega jonizacji, gdy uderza w nie energetyczne cząstki w wietrze słonecznym i w magnetosferze Merkurego. W przeciwieństwie do sondy Mariner 10, sonda Messenger posiadała instrumenty, które mogły mierzyć jony. Podczas pierwszego przelotu Messengera obok Merkurego w 2008 roku, zidentyfikowano wiele jonów, w tym jony tlenu, sodu, magnezu, potasu, wapnia i siarki. Dodatkowo, inny instrument zmapował długi ogon Merkurego, przypominający kometę, który jest doskonale widoczny w liniach emisyjnych sodu.
Pomimo, że zmierzone obfitości sodu i potasu są bardzo niskie – od setek do kilkudziesięciu tysięcy atomów na centymetr sześcienny w pobliżu powierzchni – teleskopowe instrumenty spektralne są bardzo czułe na te dwa pierwiastki, a astronomowie mogą obserwować grubsze plamy tych gazów przemieszczające się przez dysk Merkurego i przez jego sąsiedztwo w przestrzeni. Do początku lat 90-tych XX wieku to, skąd te gazy pochodzą i dokąd zmierzają, miało znaczenie raczej teoretyczne niż praktyczne. W tym czasie ziemskie radary dokonały niezwykłego odkrycia plam silnie odbijających światło radarowe materiałów na biegunach. Messenger zaobserwował później, że są one zbudowane z lodu wodnego. Pomimo bliskości Merkurego do Słońca, lód wodny był w stanie przetrwać dzięki pokryciu go izolującą warstwą ciemnego materiału organicznego w stale zacienionych obszarach głębokich kraterów w pobliżu biegunów.
Dzięki uprzejmości Johna Harmona, Arecibo Observatory
Pomysł, że planeta najbliższa Słońcu może kryć znaczne pokłady lodu wodnego, początkowo wydawał się dziwaczny. A jednak, Merkury zgromadził wodę w swojej historii, najprawdopodobniej w wyniku zderzenia z kometami i asteroidami. Lód wodny na gorącej powierzchni Merkurego natychmiast zamieni się w parę (sublimację), a pojedyncze cząsteczki wody będą skakać w przypadkowych kierunkach po balistycznych trajektoriach. Szanse na to, że cząsteczka wody uderzy w inny atom w atmosferze Merkurego są bardzo małe, choć istnieje pewna szansa, że zostanie zdysocjowana przez jasne światło słoneczne. Obliczenia sugerują, że po wielu wędrówkach być może 1 na 10 cząsteczek wody w końcu wyląduje w głębokiej depresji polarnej. Ponieważ oś obrotu Merkurego jest w zasadzie prostopadła do płaszczyzny jego orbity, światło słoneczne jest zawsze prawie poziome na biegunach. W takich warunkach dna głębokich depresji pozostają w ciągłym cieniu i stanowią zimne pułapki, które utrzymują cząsteczki wody przez miliony lub miliardy lat. Stopniowo tworzy się złoże lodu polarnego. Podatność lodu na powolne sublimowanie – np. pod wpływem niewielkiego ciepła światła słonecznego odbitego od odległych gór lub brzegów kraterów – jest zmniejszona, ponieważ jest on pokryty izolującą warstwą gruzu lub regolitu o grubości około 10-20 cm (4-8 cali), zbudowaną ze związków organicznych, które również dotarły na Merkurego w wyniku uderzeń kometarnych i asteroidalnych.