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  宇宙線大致可以分成兩類:原生和衍生宇宙線。 來自太陽系外的天文物理產生的宇宙線是原宇宙線;這些原宇宙線會和星際物質作用產生衍生(二次)宇宙線。太陽在產生閃焰時,也會產生一些低能量的宇宙線。在地球大氣層外的原宇宙線,確實的成分,取決於觀測能量譜的哪些部分。不過,一般情況下,進入的宇宙線幾乎90%是質子,9%是氦核(α粒子),和大約1%是電子。氫和氦核的比例(質量比氦核是28%)大約與這些元素在宇宙中的元素丰度(氦的質量佔24%)相同。  其餘豐富的部分是來自於恆星核合成最終產物的其它重原子核。衍生宇宙線包含其它的原子核,它們不是豐富的核合成或大爆炸的最終產物。這些較輕的原子核出現在宇宙線中的比例遠大於在太陽大氣層中的比例(1:100個粒子),它們的丰度大約是氦的10。  這種丰度的差異是衍生宇宙線造成的結果。當宇宙線中重的原子核成分,即碳和氧的原子核,與星際物質碰撞時,它們分裂成較輕的鋰、鈹、硼原子核(此過程被稱為宇宙射線散裂)。被發現的鋰、鈹和硼的能譜比來自碳或氧的更為尖細,這個值暗示有少數的宇宙射線散裂是由更高能量的原子核產生的,推測大概是因為它們是從銀河的磁場逃逸出來的。散裂也對宇宙線中的鈧、鈦、釩和錳離子等的丰度負責,它們是宇宙線中的鐵和鎳原子核與星際物質撞擊產生的(參見天然的背景輻射)。  即使衛星實驗在原宇宙線中發現一些反質子和正電子存在的證據,但沒有複雜的反物質原子核(例如反氦核)存在的證據。在原宇宙線中觀測到的反物質丰度是符合它們也能由原宇宙線在深太空和普通物質撞擊,在衍生宇宙線的程式中產生的理論。例如,一種在實驗室中產生反質子的標準方法是以能量大於6 GeV的質子去撞擊其他的質子,而在原宇宙線中很輕易的就有許多質子的能量超過這個數值。無論是否在銀河系中,當簡單的反物質能夠由這種程式產生時(不是在大氣層的高層),它們仍可能傳播遙遠的距離抵達地球,而不會在星際空間中與其他的氫原子碰撞而湮滅。抵達地球的反質子特徵是能量最多隻有2GeV,顯示它們產生的過程在基本上與宇宙線中的質子是截然不同的。  在過去,人們認為宇宙線的通量隨著時間的推移一直是相當穩定。最近的研究顯示,以1.5至2千年的時間尺度,有證據顯示在過去的40,000年,宇宙線的通量是有變化的。

  太陽調節(solar modulation)指太陽或太陽風改變進入太陽系的銀河系宇宙射線強度和能譜的過程。當太陽處於活躍時期,相比安靜時期,銀河系的宇宙射線會較少的進入太陽系。基於這個原因,銀河系宇宙射線與太陽一樣遵從11年週期,但不同的是:劇烈的太陽活動對應低宇宙射線(進入太陽系),反之亦然。

  宇宙射線中的原子核之所以能夠從他們遙遠的源頭一直到達地球,是因為宇宙中物質的低密度。原子核與其它物質有著強烈的感應,所以當宇宙線接近地球時,便開始於大氣層氣體中的原子核撞擊。在大氣簇射的過程中,這些碰撞產生很多π介子和K介子,這些很快會衰退為不穩定的μ子。由於與大氣層沒有強烈的感應以及時間膨脹的相對論性效應,許多μ子能夠到達地球表面。μ子屬於電離輻射,從而可以輕易被許多粒子探測器檢測到,例如氣泡室,或閃爍體探測器。如果多個μ子在同一時間被不同的探測器檢測到,那麼它們很可能源自同一次簇射。  現在,新的探測手段能夠不通過大氣簇射現象探測這些高能粒子,也就是在太空中,不受大氣層的干擾,直接探測宇宙線,例如阿爾法磁譜儀實驗。

  宇宙射線被地球大氣層影響,對地面的單個人的天然本底輻射僅為0.3-0.4 mSv/y。在大氣層外,每秒約有一個質子或更重的原子核穿過指甲大小的面積,總共每秒約有5000個離子貫穿宇航員的身體,打斷體內的化學鍵,引起一連串電離反應。在宇宙射線中,少數較重的原子核會造成比質子更大的傷害,因為打斷化學鍵的能力與電荷平方成正比。例如,鐵原子核所造成的傷害是質子的676倍。根據美國航空航天局(NASA)的估計,航天員在太陽系內的太空中每年受到250 mSv的輻射,體內約有1/3的DNA會被宇宙射線切斷。在月面是70-120mSv/y,近地軌道是100mSv/y,範艾倫輻射帶為15 Sv/y。太陽也會釋放大量質子與重原子核,以接近光速噴出,有時一小時內會逾數Sv,對沒有屏障的航天員是致死劑量。

  亨利·貝克勒1896年發現放射性後,許多人認為大氣中的電流(地球大氣層的電離)僅來自於土中放射性物質或產生出的放射性氣體(氡氣的同位素)的輻射。1900至1910年,十年內逐增高度的電離率測量顯示出一個能夠通過空氣對電離輻射的吸收解釋的降值。其後,維克托·赫斯於1912年利用一個熱氣球,帶著三臺靜電計,登上了5300米的高空。他探測到電離率增長到大約地面率的四倍。他得出的結論是“我的觀察結果最好的解釋是設想一種高穿透力的射線從上部進入大氣層。”維克托·赫斯因為這次後人命名為“宇宙線”(cosmic rays)的發現於1936年獲得諾貝爾物理學獎。
宇宙線亦稱為宇宙射線,是來自外太空的帶電高能次原子粒子。它們可能會產生二次粒子穿透地球的大氣層和表面。"射線"這個名詞源自於曾被認為是電磁輻射的歷史。主要的初級宇宙射線(來自深太空與大氣層撞擊的粒子)成分在地球上一般都是穩定的粒子,像是質子、原子核、或電子。但是,有非常少的比例是穩定的反物質粒子,像是正電子或反質子,這剩餘的小部分是研究的活躍領域。