E' separata dalla troposfera da una sottile zona di transizione detta tropopausa, di spessore variabile, peraltro, con la latitudine e con le stagioni. La tropopausa è caratterizzata dalla presenza di correnti aeree ad alta velocità dette jet stream (correnti a getto) a 200-300 km/h. Queste sono veri e propri fiumi d'aria che si spostano stagionalmente in latitudine e in altezza, la cui struttura è legata a quella della tropopausa. Le correnti a getto sono posizionate soprattutto laddove, con un salto così brusco che è quasi una frattura, si passa dalla tropopausa tropicale alla tropopausa subtropicale (correnti a getto subtropicali) e dalla tropopausa subtropicale a quella polare (correnti a getto polari).

Subito al di sopra della sottile tropopausa inizia la stratosfera. Questa regione si estende dal limite superiore della tropopausa sino a circa 40 km. La temperatura resta inizialmente quasi costante a -55 °C sino a 20 km di altezza, poi sale sino a circa 0 °C al suo limite superiore di 40 km, dove inizia la stratotropopausa.

La temperatura sale abbastanza lentamente tra 20 e 32 km, ma sale sempre più velocemente al di sopra dei 32 km. In base all'esistenza di tre valori medi per la temperatura all'interno della stratosfera, questa si divide in tre sottoregioni: bassa, media e alta stratosfera.

Nella stratosfera, l'aria, molto rarefatta, è in quiete e i suoi costituenti tendono a distribuiirsi in base al loro peso; il vapore acqueo è molto scarso, ma non totalmente assente. Si possono osservare infatti, talvolta, tra i 20 e 30 km di quota nubi sorprendentemente iridescenti, o madreperlacee.

Nell'alta stratosfera il rapido aumento della temperatura è dovuto sostanzialmente alla formazione di ozono (O_³). L'ozono è presente nell'atmosfera in uno spesso strato tra i 15 e 80 km (ozonosfera), ma la sua concentrazione è massima intorno ai 25 km. Si forma per dissociazione dell'ossigeno biatomico (O_²) in ossigeno monoatomico (O) sotto l'azione dei raggi ultravioletti solari. L'ossigeno atomico si combina poi con ossigeno biatomico della normale molecola dando luogo a ossigeno triatomico (ozono). L'ozono è di vitale importanza per la vita in quanto nella concentrazione alla quale si trova a 25 km assorbe quasi completamente gli ultravioletti solari di lunghezza d'onda inferiore ai 300 nm, letali per ogni forma di vita in quanto spezzano le molecole di DNA.
La decomposizione dell'ozono per azione degli ultravioletti sviluppa calore e ciò spiega la più veloce crescita di temperatura intorno a questa altezza.

Come ultima nota si ricorda che l'effetto dei CFC (cluorofluorocarburi) è molto importante perché funziona come catalizzatore della reazione di scissione dell'ozono e ne aumenta enormente la perdita, non sufficientemente compensata dalla sua riformazione. La scomparsa dell'ozono aumenta notevolmente il passaggio delle radiazioni dure (soprattutto ultravioletti). L'effetto è accentuato ai poli, dove le correnti a getto alla quota di maggiore densità dell'ozono non permettono il rimescolamento globale dell'atmosfera e compensare, almeno in parte, la diminuzione dell'ozono.