E' lo strato dell'atmosfera al di sopra della stratosfera separato da questa da una zona di transizione, detta stratopausa, alla temperatura di circa 0 °C.
Nella mesosfera, che si estende sino a 80 km, la temperatura sale prima leggermente per la presenza di ozono (O_³), poi discende rapidamente sino a circa -70 °C. In essa si forma la maggior parte dell'ozono atmosferico, in essa si osservano le scie luminose delle meteore, chiamate popolarmente anche "stelle cadenti". In essa s'osservano pure delle alcune aurore polari particolarmente basse.
Nella mesosfera avviene inoltre la trasformazione delle particelle di grande energia provenienti dallo spazio (raggi cosmici primari) in particelle meno energetiche (raggi cosmici secondari), con conseguente formazione di uno strato atmosferico di ioni (particelle dotate di carica elettrica). Questo strato, detto strato D, fa parte di uno strato più ampio chiamato ionosfera.