La haute atmosphère de Vénus peut être mesurée depuis la Terre quand la planète passe devant le soleil, ce phénomène s'appelle un transit astronomique. Le dernier transit de Vénus a eu lieu en 2004. Utilisant la spectroscopie astronomique, les scientifiques ont été capable d'analyser la lumière solaire ayant traversé l'atmosphère de la planète afin de mettre en évidence les produits chimiques la composant. Ce transit a constitué une opportunité en considérant le manque d'information sur la couche d'atmosphère située entre 65 et 85 km. Le transit de 2004 a permis aux astronomes de recueillir un grand nombre de données utiles non seulement afin de déterminer la composition de l'atmosphère, mais aussi afin d'affiner les techniques dans la recherche de planètes extrasolaires.
Un transit de Vénus devant le soleil est un évènement très rare, et celui précédent le transit de 2004 était en 1882. Le prochain aura lieu en 2012. Mais après ce dernier il n'y en aura aucun avant au moins 105 ans.
Grâce aux études des nuages et de la géologie de la surface actuelle, combinée avec le fait que la luminosité du Soleil a augmenté de 25 % depuis 3,8 milliards d'années, les scientifiques pensent que l'atmosphère de Vénus il y a 4 milliards d'années était plus proche de celle de la Terre avec de l'eau liquide à la surface. L'effet de serre a probablement causé l'évaporation de l'eau de surface et la hausse du niveau des gaz à effet de serre qui a suivi. L'atmosphère de Vénus a donc attiré l'attention de ceux étudiant le changement climatique sur Terre.
Il n'y a aucune forme géologique sur la planète mettant en évidence la présence d'eau durant le milliard d'années passé. Les chercheurs s'accordent à dire que l'eau aurait existé pendant 600 millions d'années sur la surface avant de s'évaporer, bien que certains, tel que David Grinspoon, considèrent que ce laps de temps aurait pu être de 2 milliards d'années.
Venus Express orbite actuellement autour de la planète, sondant de plus en plus profondément l'atmosphère en utilisant l'imagerie infrarouge dans la partie du spectre comprise entre 1–5 µm. La sonde de la JAXA, PLANET-C qui sera lancée en 2010, étudiera la planète pendant deux ans, dont la structure et l'activité de l'atmosphère. Une de ces 5 caméras, appelées "IR2", sera capable d'analyser l'atmosphère de la planète en dessous de son épaisse couche de nuages en plus de l'analyse de son mouvement et de ses composants. Avec une orbite comprise entre 300 et 60 000 km, la sonde pourra prendre des photographies de la planète à basse altitude, et sera en mesure de confirmer la présence de volcans en activité et d'éclairs.
Le Venus In-Situ Explorer, proposé par le programme New Frontiers de la NASA, est un projet de sonde qui pourrait aider à la compréhension du processus ayant conduit aux changements climatiques.
Un autre vaisseau, appelé Venus Mobile Explorer, a été proposé par le Venus Exploration Analysis Group (VEXAG) pour analyser la composition et faire des mesures isotopiques de la surface et de l'atmosphère, pendant 90 jours. Aucune date de lancement n'a encore été prévue.