Die Thermosphäre ist die zweitäußerste Schicht der Erdatmosphäre und gehört zugleich zum oberen Teil der Ionosphäre. Sie erstreckt sich von der in rund 80 km Höhe liegenden Mesopause bis zur in etwa 800 km über die Erdoberfläche liegenden Thermopause (Grenze zur Exosphäre). Innerhalb dieser extrem dünnen Atmosphärenschicht – die Gasteilchen sind weit voneinander entfernt – werden die Gasmoleküle von der aus dem Weltall eintreffenden energiereichen Strahlung ionisiert. Die Ionen und freien Elektronen der Ionosphäre können wegen der geringen Dichte lange existieren, ehe sie wieder rekombinieren.
Die Temperatur der Thermosphäre beträgt infolge der Aufnahme von Strahlungsenergie durch die Atmosphärenpartikel tagsüber rund 1.700 Grad Celsius, nachts ca. 300 Grad Celsius. Die hohe Temperatur dieser Schicht ist jedoch lediglich ein Ausdruck der sehr schnellen Bewegungen der Gasmoleküle.
In der Thermosphäre umkreisen das Space Shuttle und die Internationale Raumstation (ISS) die Erde.