Nhiệt độ của các lớp khí quyển được xác định bởi thành phần không khí, chuyển động và mật độ của mỗi lớp. Ví dụ: trong tầng đối lưu, nó ấm hơn ở lớp cơ sở vì không khí hấp thụ nhiệt từ bề mặt trái đất. Vì mật độ không khí giảm theo độ cao nên nhiệt độ cũng giảm theo.
Ở tầng bình lưu, lượng hơi nước giảm trong khi nồng độ ôzôn tăng theo chiều cao. Điều này làm tăng nhiệt độ vì sự hình thành ôzôn tạo ra nhiệt và các phân tử ôzôn hấp thụ tia cực tím của mặt trời.Di chuyển lên trên từ tầng bình lưu đến tầng trung lưu, các phân tử oxy trở nên ít dày đặc hơn, và do đó, nhiệt độ ấm áp lại bắt đầu giảm khi độ cao tăng lên. Nhiệt độ là lạnh nhất trong lớp này; nhiệt độ đạt -90 đến -120 độ C.
Trong khí quyển, nhiệt độ tăng lên 2.000 độ C cùng với sự gia tăng độ cao do các phân tử hấp thụ tia X và tia cực tím cường độ cao từ mặt trời. Đáng ngạc nhiên là nhiệt độ không khí ở lớp này tạo cảm giác lạnh cho da vì mật độ không khí rất thấp. Các phi hành gia trong không gian thích ở trên quỹ đạo trong lớp này. Không khí trong ngoại quyển quá loãng để nóng lên và các phân tử thoát ra ngoài không gian. Tuy nhiên, nhiệt độ ở một số nơi trong không gian có thể rất nóng do gió mặt trời.
