Di chuyển lên khỏi bề mặt, tầng bình lưu là lớp thứ hai của khí quyển Trái đất, bắt đầu ở độ cao từ 5 đến 10 dặm (26.000 đến 53.000) feet. Có rất ít hơi nước hiện diện hoặc sự hình thành mây xảy ra trong tầng bình lưu, nhưng tầng này chứa khoảng 19% tổng lượng khí trong khí quyển.
Lớp bình lưu tiếp tục kéo dài đến khoảng 31 dặm, trước khi bắt đầu hình thành tầng trung lưu. Tầng bình lưu giữ ôzôn trong khí quyển, bảo vệ bề mặt bằng cách hấp thụ bức xạ tia cực tím có hại từ mặt trời. Chính vì sự hấp thụ các tia UV này mà nhiệt độ ở tầng bình lưu tăng lên theo độ cao, từ mức tối thiểu khoảng âm 60 độ F ở phần dưới lên đến khoảng 5 độ F ở gần trên cùng của lớp. Cũng do hiện tượng này, không có các dòng đối lưu chuyển động đi lên trong tầng bình lưu, vì không khí ấm hơn nằm trên không khí mát hơn. Sự thiếu chuyển động của không khí này là lý do tại sao máy bay bay ở tầng bình lưu thấp hơn, nơi có ít nhiễu động nhất. Tuy nhiên, trên đỉnh của tầng bình lưu, không khí loãng hơn khoảng 1.000 lần so với mực nước biển, hạn chế việc sử dụng máy bay ở các vùng trên cao.
