Lo strato di transizione tra mesosfera e termosfera è chiamato mesopausa ed è caratterizzato da temperature estremamente basse che vanno da -70 °C a -100 °C. In questa zona, a latitudine maggiori di circa 45° nord o sud, nei mesi che vanno dalla fine della primavera ad autunno inoltrato, si possono talvolta osservare nubi dalle caratteristiche molto particolari, dette nubi nottilucenti, che si vedono splendere sopra l'orizzonte in direzione dei poli nelle ore attorno a mezzanotte. Non è chiaro il meccanismo attraverso il quale si formano, poiché l'aria ad altezze così grandi è secca e generalmente è ritenuta priva di nuclei di solidificazione. E' possibile però che questi nuclei siano particelle di polvere meteorica.

Sopra la mesopausa si trova la termosfera che viene fatta giungere fino a 650 km d'altezza. In essa la temperatura aumenta rapidamente, i gas sono ionizzati o allo stato atomico, mancano completamente l'anidride carbonica, vapor acqueo e ozono. Nella termosfera si verificano importanti fenomeni elettrici e geomagnetici, tra cui le aurore polari. Essa è sede degli strati ionizzati a maggior densità elettronica, è sede cioé della parte più importante della ionosfera.