Temperatura straturilor atmosferice este determinată de compoziția, mișcarea și densitatea fiecărui strat. În troposferă, de exemplu, este mai cald la stratul de bază deoarece aerul absoarbe căldura de la suprafața pământului. Deoarece densitatea aerului scade cu înălțime, temperatura scade.
În stratosfera, cantitatea de vapori de apă scade, în timp ce concentrația de ozon crește cu înălțimea. Acest lucru duce la o creștere a temperaturii, deoarece formarea de ozon produce căldură, iar moleculele de ozon absorb radiațiile ultraviolete ale soarelui.
Mutarea din stratosfera spre mezosferă, moleculele de oxigen devin mai puțin dense, astfel că temperatura caldă începe să scadă din nou odată cu creșterea altitudinii. Temperatura este cea mai rece în acest strat; atinge -90 la -120 grade Celsius.
În termosferă, temperatura crește până la 2.000 de grade Celsius cu creșterea altitudinii deoarece moleculele absorb radiațiile de înaltă intensitate și razele ultraviolete de la soare. Surprinzător, temperatura aerului din acest strat se simte rece pentru piele, deoarece densitatea aerului este foarte scăzută. Astronauții din spațiu preferă să rămână pe orbită în acest strat. Aerul din exosphere este prea subțire pentru a se încălzi și moleculele scapă în spațiul cosmic. Temperatura în unele părți ale spațiului poate fi foarte caldă, totuși, datorită vântului solar.
