Die Thermosphäre liegt oberhalb der Mesosphäre und beginnt in etwa 80 bis 90 Kilometern Höhe. Sie erstreckt sich über mehrere hundert Kilometer und geht nach außen allmählich in die Exosphäre über.
In dieser Schicht kann die Temperatur auf weit über 1.000 Grad Celsius steigen. Trotzdem würde sie sich für einen Menschen nicht wie extreme Hitze anfühlen, weil die Luft dort außerordentlich dünn ist und nur sehr wenige Teilchen Wärme übertragen können.
Die Thermosphäre ist außerdem Schauplatz der Polarlichter. Energiereiche Teilchen aus dem Sonnenwind treffen dort auf Atome und Moleküle der Atmosphäre und regen sie zum Leuchten an. Auch die Internationale Raumstation bewegt sich in diesem Höhenbereich. Für die Raumfahrt ist die Thermosphäre deshalb besonders wichtig.