Nella termosfera, che giunge sino a 650 km d'altezza e dove mancano l'anidride carbonica, il vapor acqueo e l'ozono, la temperatura aumenta rapidamente, portando i gas alla ionizzazione o allo stato atomico.
Nella termosfera si verificano importanti fenomeni elettrici e geomagnetici, tra cui le aurore polari. Essa è sede degli strati ionizzati a maggior densità elettronica, è sede cioé della parte più importante della ionosfera, la fascia atmosferica che riflette certe lunghezze d'onda radio (onde corte) utilizzate dai radioamatori negli anni passati.