Transisi dari mesosfer ke termosfer dimulai pada ketinggian sekitar 81 km. Dinamai termosfer karena terjadi kenaikan temperatur yang cukup tinggi pada lapisan ini yaitu sekitar . Perubahan ini terjadi karena serapan radiasi sinar ultraviolet. Radiasi ini menyebabkan reaksi kimia sehingga membentuk lapisan bermuatan listrik yang dikenal dengan nama ionosfer, yang dapat memantulkan gelombang radio. Sebelum munculnya era satelit, lapisan ini berguna untuk membantu memancarkan gelombang radio.

Lapisan termosfer berada di atas mesopouse dengan ketinggian sekitar 75 km sampai pada ketinggian sekitar 650 km. Pada lapisan ini, gas-gas akan terionisasi, oleh karenanya lapisan ini sering juda disebut lapisan Ionosfer. Molekul Oksigen akan terpecah menjadi oksegen atomik di sini. Proses pemecahan molekul oksigen dan gas-gas atmosfer lainnya akan menghasilkan panas, yang akan menyebabkan meningkatnya suhu pada lapisan ini. Suhu pada lapisan ini akan meningkat dengan meningkaknya ketinggian.[2] Ionosfer dibagi menjadi tiga lapisan lagi, yaitu:

1. Lapisan Udara E Terletak antara 80 – 150 km dengan rata-rata 100 km dpl. Lapisan ini tempat terjadinya proses ionisasi tertinggi. Lapisan ini dinamakan juga lapisan udara kennely dan heaviside dan mempunyai sifat memantulkan gelombang radio. Suhu udara di sini berkisar –70 °C sampai +50 °C .

2. Lapisan udara F Terletak antara 150 – 400 km. Lapisan ini dinamakan juga lapisan udara appleton.

3. Lapisan udara atom Pada lapisan ini, benda-benda berada dalam bentuk atom. Letaknya lapisan ini antara 400 – 800 km. Lapisan ini menerima panas langsung dari Matahari, dan diduga suhu tertingginya 2500 °C (4530 °F) tergantung kondisi Matahari. Meskipun bersuhu tinggi, pengamat atau objek akan mengalami suhu dingin di termosfer, karena kerapatan gas yang sangat rendah (vakum) tidak cukup bagi molekul untuk melakukan pemanasan. Termometer normal akan membaca suhu secara signifikan di bawah 0 ° C , setidaknya pada malam hari, karena energi yang hilang oleh radiasi termal akan melebihi energi yang diperoleh dari gas atmosfer melalui kontak langsung. Dalam zona anakustik di atas 160 kilometer (99 mi), kepadatannya sangat rendah sehingga interaksi molekuler terlalu jarang untuk memungkinkan transmisi suara.