La termosfera se extiende desde la mesosfera (~85 km) hasta ~600 km. La temperatura aumenta desde -90 °C en su base hasta 1.000-2.000 °C en su parte alta durante máximos solares, aunque la densidad del aire es tan baja que un termómetro convencional no mediría ese calor.
Es la capa donde se producen las auroras boreales (100-300 km) y donde orbita la Estación Espacial Internacional (400 km). Contiene la ionosfera, capa ionizada que refleja las ondas de radio y permite las comunicaciones de onda corta a larga distancia. La actividad solar modula fuertemente la termosfera.