In der Troposphäre sinkt die Temperatur mit zunehmender Höhe hauptsächlich, weil die Erdatmosphäre von der niedrigsten Stufe nach oben erwärmt wird. Obwohl Sonnenlicht durch die höheren Lagen gelangt, um die Erdoberfläche zu erreichen, ist die Oberfläche viel besser absorbieren die Sonnenwärme.
Luft ist in der Nähe einer Wärmequelle wärmer als die Luft weiter davon entfernt, und die Erde ist eine Wärmequelle für die Atmosphäre. Vom Boden aufwärts strahlt die Wärme allmählich durch die Troposphäre, wobei ein Teil davon in den Weltraum abstrahlt. Außerdem hat Luft eine geringe Wärmeleitfähigkeit nach Volumen. Wenn warme Luft aufsteigt und sich ausdehnt, drückt sie sich gegen die vorhandene Atmosphäre ab, überträgt jedoch so wenig Wärme, dass der Prozess zu einem Nettoenergieverlust führt. Es gibt jedoch Ausnahmen, sogenannte Temperaturinversionen, die durch Warmfronten, ozeanische Auftrieb und andere Wettereinflüsse verursacht werden. Außerdem nimmt die Temperatur mit der Höhe nur in der Troposphäre und der Mesosphäre ab; In der Thermosphäre hoch über der Erde ist die ultraviolette Strahlung, nicht die Erdoberfläche, die primäre Wärmequelle, wie es in der Stratosphäre der Fall ist. Die Thermosphäre hat ihren Namen, weil dort einzelne Luftmoleküle eine Temperatur von 2.500 Grad Celsius erreichen können. Jenseits der Thermosphäre befindet sich die Exosphäre, die den Rand des Weltraums darstellt.
