Die obere Atmosphäre wird im Allgemeinen als die Region der Thermosphäre angesehen, die die dünne äußere Schicht der Erdatmosphäre ist, die etwa 56 Kilometer hoch beginnt und sich bis zu etwa 90 Kilometer erstreckt. Raumschiffe wie die Internationale Raumstation (ISS) oder das US-Space Shuttle kreisen typischerweise in der oberen Atmosphäre mit einer Reichweite von etwa 375 Kilometern. Im Gegensatz dazu fliegen Verkehrsflugzeuge in der viel niedrigeren Stratosphäre, die sich bis zu einer maximalen Höhe von 604 Kilometern erstreckt, wo die Ozonschicht der Erde existiert.
Während die Luftkonzentration der oberen Erdatmosphäre in der Thermosphärenregion im Vergleich zu dem, was Menschen auf der Erdoberfläche erleben, sehr gering ist, ist diese Atmosphäre aufgrund der Strahlung, die sie von der Sonne erhält, auch sehr heiß. Schätzungen für atmosphärische Gase in der oberen Thermosphäre gehen von einer Temperatur von bis zu 3,600° Fahrenheit (2,000 ° Celsius) aus. Aufgrund der Seltenheit atmosphärischer Gase auf dieser Ebene wird ihre Wärme jedoch nicht an die die Region passierenden Objekte übertragen.
Eine fünfte Schicht der oberen Atmosphäre, die mit dem Vakuum des Weltraums verschmilzt und oft nicht als Teil der eigentlichen Atmosphäre betrachtet wird, ist die Exosphäre. Die Luftdichte der Exosphäre ist extrem gering und die Region erstreckt sich von etwa 375 Meilen (604 Kilometer) bis zu 6,200 Meilen (9,978 Kilometer). Die Exosphäre verschmilzt mit Regionen des darüber liegenden Van-Allan-Strahlungsgürtels, einem Bereich stark geladener magnetischer Teilchen, die vom Erdmagnetfeld erzeugt und an Ort und Stelle gehalten werden. Die Exosphäre ist so dünn, dass in höheren Regionen nur etwa ein Atom Luft oder Wasserstoff pro Kubikzentimeter Raum vorhanden ist, und über 50% dieser Moleküle entweichen schließlich in den Weltraum. Die Region wird für viele Satelliten mit niedriger Umlaufbahn verwendet, die von den verdünnten Gasen nicht beeinflusst werden.
Einer der einzigartigen Aspekte der oberen Atmosphäre ist, dass sie die Heimat von Polarlichtern ist, wie Aurora Borealis und Aurora Australis oder Nordlichter und Südlichter, die innerhalb von 10 bis 20 Grad nördlicher Breite am deutlichsten sichtbar sind Südpole. Die Lichter werden durch magnetische Effekte erzeugt, die die Erde erzeugt, wenn sie auf dieser Ebene mit dem Sonnenwind und atmosphärischen Gasen interagiert. Die Farben, die die Lichter in der oberen Atmosphäre zeigen, hängen von der Art der betroffenen Luftmoleküle ab, mit grünen bis bräunlich-roten Farben, die von Sauerstoff erzeugt werden, blau von ionisiertem Stickstoff und rot von Stickstoff in einem niedrigeren Energiezustand.