La thermosphère s'étend de la mésosphère (~85 km) à ~600 km. La température augmente de -90 °C à sa base à 1 000-2 000 °C dans sa partie haute pendant les maxima solaires, bien que la densité de l'air soit si faible qu'un thermomètre conventionnel ne mesurerait pas cette chaleur.
C'est la couche où se produisent les aurores boréales (100-300 km) et où orbite la Station spatiale internationale (400 km). Elle contient l'ionosphère, couche ionisée réfléchissant les ondes radio et permettant les communications à ondes courtes sur de longues distances. L'activité solaire module fortement la thermosphère.