La mesosfera se extiende desde la estratopausa (unos 50 km) hasta la mesopausa (aproximadamente 85 km), constituyendo la tercera capa de la atmósfera. Es la capa más fría, con temperaturas que descienden desde los 0 °C en su base hasta aproximadamente -90 °C en la mesopausa, las temperaturas más bajas de toda la atmósfera terrestre. Este enfriamiento se debe a la ausencia de ozono que absorba radiación ultravioleta y a la baja densidad del aire que impide retener calor eficientemente. En la mesosfera se producen fenómenos notables: los meteoros (estrellas fugaces) se desintegran al entrar en esta capa debido a la fricción con las moléculas de aire, generando las estelas luminosas visibles desde la superficie. También se forman las nubes noctilucentes (nubes mesosféricas polares), las nubes más altas del planeta a 76-85 km de altitud, compuestas por diminutos cristales de hielo visibles en el crepúsculo de latitudes altas. Su frecuencia creciente se considera un posible indicador del cambio climático. La mesosfera es la capa menos estudiada directamente porque es demasiado alta para globos meteorológicos y radiosondas y demasiado baja para satélites orbitales. Se investiga principalmente mediante cohetes sonda y radares de dispersión. Aunque no influye directamente en el tiempo meteorológico de superficie, la dinámica de la mesosfera afecta a la propagación de ondas atmosféricas que conectan la estratosfera con las capas superiores.