La thermosphère commence à une altitude de 80 km. La température de l’air dans cette couche s’élève fortement jusqu’à une hauteur de 250 m, puis devient constante : à une altitude de 150 km, elle atteint 220-240°C ; à une altitude de 500-600 km, elle dépasse les 1500°C.
Contrairement aux couches inférieures, où les gaz sont mélangés, les particules entrent rarement en collision dans la thermosphère, ce qui conduit à une séparation uniforme des éléments. De plus, la plupart des molécules de la thermosphère sont détruites par la lumière du soleil.