Die Temperatur der atmosphärischen Schichten wird durch die Luftzusammensetzung, Bewegung und Dichte jeder Schicht bestimmt. In der Troposphäre ist es beispielsweise in der unteren Schicht wärmer, weil die Luft Wärme von der Erdoberfläche. Da die Luftdichte mit der Höhe abnimmt, nimmt auch die Temperatur ab.
In der Stratosphäre nimmt die Wasserdampfmenge ab, während die Ozonkonzentration mit der Höhe zunimmt. Dies führt zu einem Temperaturanstieg, da bei der Ozonbildung Wärme entsteht und die Ozonmoleküle die ultravioletten Strahlen der Sonne absorbieren.
Aufwärts von der Stratosphäre in die Mesosphäre werden die Sauerstoffmoleküle weniger dicht, und so beginnt die warme Temperatur mit zunehmender Höhe wieder zu sinken. In dieser Schicht ist die Temperatur am kältesten; es erreicht -90 bis -120 Grad Celsius.
In der Thermosphäre steigt die Temperatur mit zunehmender Höhe auf bis zu 2.000 Grad Celsius, da Moleküle hochintensive Röntgen- und Ultraviolettstrahlen der Sonne absorbieren. Überraschenderweise fühlt sich die Lufttemperatur in dieser Schicht für die Haut kalt an, da die Luftdichte sehr gering ist. Astronauten im Weltraum ziehen es vor, in dieser Schicht im Orbit zu bleiben. Die Luft in der Exosphäre ist zu dünn, um sich aufzuwärmen, und die Moleküle entweichen in den Weltraum. Die Temperatur in einigen Teilen des Weltraums kann jedoch aufgrund des Sonnenwinds sehr heiß sein.
