Atmosferik katmanların sıcaklığı, her bir katmanın hava kompozisyonu, hareketi ve yoğunluğuna göre belirlenir. Troposferde, örneğin taban katmanında daha sıcaktır çünkü hava, ısıyı emer yeryüzü. Hava yoğunluğu yükseklikle azaldığından, sıcaklık da düşer.
Stratosferde, su buharı miktarı azalırken ozon konsantrasyonu yükseklikle artar. Bu sıcaklıkta bir artışa neden olur çünkü ozon oluşumu ısı üretir ve ozon molekülleri güneşin ultraviyole ışınlarını emer.
Stratosferden mezosfere yukarı doğru hareket ettikçe, oksijen molekülleri daha az yoğunlaşır ve böylece sıcaklıklar rakım arttıkça tekrar düşmeye başlar. Bu tabakadaki sıcaklık en soğuktur; -90 ila -120 santigrat dereceye ulaşır.
Termosferde, yükseklik arttıkça sıcaklık 2.000 dereceye kadar yükselir, çünkü moleküller güneşten gelen yüksek yoğunluklu röntgen ve ultraviyole ışınlarını emer. Şaşırtıcı bir şekilde, bu katmandaki hava sıcaklığı cilde soğuk geliyor çünkü hava yoğunluğu çok düşük. Uzaydaki astronotlar bu katmandaki yörüngede kalmayı tercih eder. Dış ortamdaki hava ısınamayacak kadar incedir ve moleküller uzaya kaçar. Bununla birlikte, alanın bazı bölümlerindeki sıcaklık, güneş rüzgarı nedeniyle çok sıcak olabilir.
