Temperatura warstw atmosfery zależy od składu powietrza, ruchu i gęstości każdej warstwy. Na przykład w troposferze jest cieplej w warstwie bazowej, ponieważ powietrze pochłania ciepło z powierzchnia ziemi. Ponieważ gęstość powietrza maleje wraz z wysokością, temperatura również spada.
W stratosferze ilość pary wodnej spada, a stężenie ozonu wzrasta wraz ze wzrostem. Powoduje to wzrost temperatury, ponieważ wytwarzanie ozonu wytwarza ciepło, a cząsteczki ozonu pochłaniają promieniowanie ultrafioletowe słońca.
Przesuwając się w górę od stratosfery do mezosfery, cząsteczki tlenu stają się mniej gęste, a więc ciepła temperatura zaczyna spadać wraz ze wzrostem wysokości. Temperatura jest najzimniejsza w tej warstwie; osiąga -90 do -120 stopni Celsjusza.
W termosferze temperatura wzrasta do 2000 stopni Celsjusza wraz ze wzrostem wysokości, ponieważ cząsteczki pochłaniają promieniowanie X i promienie ultrafioletowe o wysokiej intensywności. Niespodziewanie temperatura powietrza w tej warstwie jest zimna dla skóry, ponieważ gęstość powietrza jest bardzo niska. Astronauci w kosmosie wolą pozostać na orbicie w tej warstwie. Powietrze w eksferze jest zbyt cienkie, aby się rozgrzać, a cząsteczki uciekają do kosmosu. Temperatura w niektórych częściach przestrzeni może być jednak bardzo wysoka ze względu na wiatr słoneczny.
