Die Mesosphäre ist die dritte große Schicht der Erdatmosphäre. Sie liegt oberhalb der Stratosphäre und reicht ungefähr von 50 bis 85 Kilometer Höhe. Mit zunehmender Höhe wird es dort immer kälter; nahe der Mesopause werden die niedrigsten Temperaturen der Erdatmosphäre erreicht.
Besonders bekannt ist die Mesosphäre, weil hier die meisten Meteore verglühen. Beim Eindringen treffen sie auf genügend Luftteilchen, werden stark erhitzt und zerfallen.
In großer Höhe können außerdem sogenannte leuchtende Nachtwolken entstehen. Sie bestehen aus winzigen Eiskristallen und sind unter bestimmten Bedingungen nach Sonnenuntergang sichtbar. Die Mesosphäre ist vergleichsweise schwer direkt zu erforschen: Wetterballons steigen nicht hoch genug, während Satelliten meist darüber kreisen. Deshalb kommen unter anderem Höhenforschungsraketen zum Einsatz.