Nhiệt khí quyển chủ yếu bao gồm oxy, nitơ và heli. Lớp này của khí quyển Trái đất nằm bên dưới ngoại quyển và trên trung quyển, cao hơn bề mặt Trái đất từ 56 đến 621 dặm.
Các khí bên dưới khí quyển chứa các loại phân tử và nguyên tử khác nhau được liên kết và trộn lẫn với nhau bằng sự hỗn loạn. Tuy nhiên, các vụ va chạm thường xuyên không phổ biến trong khí quyển vì các khí trong vùng này bị phá vỡ bởi các photon tia X và tia cực tím từ mặt trời. Các photon năng lượng cao này tách các hạt khí của các electron của chúng, tạo ra một vùng mang điện của các phân tử và nguyên tử.
Nhiệt khí quyển hấp thụ phần lớn bức xạ tia UV và tia X từ mặt trời, khiến nhiệt độ tăng lên. Nhiệt độ trong khí quyển thay đổi tùy theo vị trí trong khu vực và mức độ hoạt động của mặt trời. Nhiệt độ tăng mạnh ở phần dưới của khí quyển, sau đó phẳng dần và duy trì ổn định ở vùng giữa và vùng trên. Nhiệt độ khí quyển vào ban ngày nóng hơn khoảng 360 độ F so với ban đêm. Nhiệt độ ở vùng trên dao động từ 930 độ F đến hơn 3.600 độ.
Do nhiệt khí quyển nằm ở tầng trên của bầu khí quyển, nên áp suất khí quyển của nhiệt quyển là rất nhỏ so với áp suất của bề mặt Trái đất.
