Mezosfera zawiera różne gazy zmieszane w powietrzu i głęboką warstwę sodu. Większość meteorów z kosmosu spala się w tej warstwie. Specjalny rodzaj chmur, zwanych noctilucent cloud, czasami tworzy się w pobliżu północnych i południowych biegunów mezosfery, istnieją także silne wiatry strefowe (wschód-zachód), fale atmosferyczne, wewnętrzne atmosferyczne fale grawitacyjne i fale planetarne.
Mezosfera jest warstwą atmosfery ziemskiej bezpośrednio nad stratopauzą i bezpośrednio pod mesopauzą. Mesosfera zaczyna się 50 km (31 mil) nad powierzchnią Ziemi i osiąga 85 km wysokości. W mezosferze temperatura spada wraz ze wzrostem wysokości. Najniższe temperatury w ziemskiej atmosferze, około minus 90 stopni C (minus 130 stopni F), znajdują się w górnej części tej warstwy.
Naukowcy wiedzą mniej o mezosferze niż o innych warstwach atmosfery. Balony meteorologiczne i samoloty odrzutowe nie potrafią latać wystarczająco wysoko, by dotrzeć do mezosfery, a orbity satelitów są z drugiej strony nad mezosferą. Dostęp do niego uzyskano jedynie za pomocą rakiet sondujących. Słyszące rakiety wykonują krótkie loty, które nie wchodzą na orbitę. Obecność wyładowań elektrycznych lub błyskawic w niższej mezosferze, zwanych czerwonymi duszkami i niebieskimi dyszami, nocnych chmury i nożyc gęstości w słabo zrozumiałej warstwie, jest obecnie przedmiotem zainteresowania naukowego.
