Trong tầng đối lưu, nhiệt độ giảm khi độ cao tăng chủ yếu do bầu khí quyển của Trái đất bị đốt nóng lên từ mức thấp nhất. Mặc dù ánh sáng mặt trời đi qua các độ cao lớn hơn để đến bề mặt Trái đất, nhưng bề mặt vẫn hấp thụ nhiệt mặt trời tốt hơn.
Không khí ở gần nguồn nhiệt ấm hơn không khí ở xa nguồn nhiệt hơn và Trái đất là nguồn nhiệt cho khí quyển. Từ mặt đất lên, nhiệt dần dần tỏa ra qua tầng đối lưu, với một phần tỏa ra ngoài không gian. Ngoài ra, không khí có độ dẫn nhiệt thấp theo thể tích. Khi không khí ấm tăng lên và nở ra, nó đẩy ngược lại bầu khí quyển hiện có, nhưng nó truyền nhiệt rất ít nên quá trình này dẫn đến mất năng lượng ròng. Tuy nhiên, có những trường hợp ngoại lệ được gọi là sự nghịch đảo nhiệt độ, và những trường hợp này là do mặt trước ấm áp, nước dâng của đại dương và các tác động thời tiết khác. Ngoài ra, nhiệt độ chỉ giảm theo độ cao trong tầng đối lưu và trung lưu; trong khí quyển ở trên cao Trái đất, bức xạ tia cực tím, không phải bề mặt Trái đất, là nguồn nhiệt chính, vì nó ở tầng bình lưu. Khí quyển có tên như vậy bởi vì các phân tử không khí riêng lẻ có thể đạt đến nhiệt độ 2.500 độ C ở đó. Bên ngoài khí quyển là ngoại quyển, là rìa của không gian.
