La mésosphère s'étend de la stratopause (environ 50 km) à la mésopause (environ 85 km), constituant la troisième couche de l'atmosphère. C'est la couche la plus froide, avec des températures descendant de 0 °C à sa base à environ -90 °C à la mésopause, les températures les plus basses de toute l'atmosphère terrestre. Ce refroidissement est dû à l'absence d'ozone absorbant le rayonnement ultraviolet et à la faible densité de l'air qui empêche de retenir efficacement la chaleur.
Des phénomènes remarquables se produisent dans la mésosphère : les météores (étoiles filantes) se désintègrent en entrant dans cette couche en raison de la friction avec les molécules d'air, générant les traînées lumineuses visibles depuis la surface. S'y forment aussi les nuages noctulescents (nuages mésosphériques polaires), les nuages les plus hauts de la planète à 76-85 km d'altitude, composés de minuscules cristaux de glace visibles au crépuscule des hautes latitudes. Leur fréquence croissante est considérée comme un possible indicateur du changement climatique.
La mésosphère est la couche la moins étudiée directement car elle est trop haute pour les ballons météorologiques et radiosondes et trop basse pour les satellites orbitaux. On l'étudie principalement par fusées-sondes et radars de diffusion. Bien qu'elle n'influence pas directement le temps en surface, la dynamique de la mésosphère affecte la propagation d'ondes atmosphériques reliant la stratosphère aux couches supérieures.