La stratosphère est la deuxième couche de l'atmosphère terrestre, s'étendant de la tropopause (environ 12 km aux latitudes moyennes) jusqu'à la stratopause à environ 50 km d'altitude. Sa caractéristique la plus distinctive est l'inversion thermique : alors que dans la troposphère la température diminue avec l'altitude, dans la stratosphère elle augmente de -56 °C environ à sa base à près de 0 °C à sa limite supérieure, en raison de l'absorption du rayonnement ultraviolet par la couche d'ozone.
Cette inversion thermique rend la stratosphère extrêmement stable : l'air chaud au-dessus de l'air froid empêche la convection verticale, de sorte qu'il n'y a pratiquement pas de nuages ni de phénomènes météorologiques classiques. Les seuls nuages qui s'y forment sont les nuages nacrés (nuages stratosphériques polaires), visibles à 15-25 km d'altitude dans les régions polaires en hiver, et qui sont impliqués dans la destruction catalytique de l'ozone.
La stratosphère joue un rôle crucial dans la protection de la vie terrestre en filtrant 97-99 % du rayonnement ultraviolet nocif. Les avions commerciaux long-courriers volent dans la partie basse de la stratosphère (10-13 km) pour profiter de l'absence de turbulences. Les éruptions volcaniques de grande ampleur peuvent injecter des aérosols de sulfate dans la stratosphère, affectant le climat mondial pendant des mois ou des années en réfléchissant le rayonnement solaire.