เทอร์โมสเฟียร์ (อังกฤษ: Thermosphere) คือ ชั้นบรรยากาศของโลกที่อยู่ระหว่างความสูง 90 - 800 กิโลเมตรเหนือโลก ในชั้นนี้ปฏิกิริยาทางเคมีของแสงทำให้ก๊าซต่างๆ ในชั้นนี้แตกตัวเป็นไอออนจึงอาจเรียกว่า ไอโอโนสเฟียร์ (ionosphere) พบว่าบรรยากาศชั้นนี้อุณหภูมิเพิ่มสูงขึ้นตามระดับความสูง ประมาณ 200 กิโลเมตรจากผิวโลกจะมีอุณหภูมิสูงกว่า 500°C และ ที่ระดับความสูง 700-800 กิโลเมตรจะมีอุณหภูมิ สูงกว่า 1000°C และสามารถเพิ่มสูงได้ถึง 2,000°C ที่อุณหภูมิสูงขึ้นก็เพราะบรรยากาศชั้นนี้มีการดูดกลืนแสง UV โดย O2 และ N2 ซึ่งโมเลกุลส่วนใหญ่อยู่ในรูปของ อิออน เช่น NO+, O2 และ O+ เป็นต้น
เหนือระดับ 80 กิโลเมตรขึ้นไป อุณหภูมิกลับสูงขึ้นอีก มวลอากาศในชั้นเทอร์โมสเฟียร์มิได้อยู่ในสถานะแก๊ส แต่อยู่ในสถานะพลาสมา (Plasma) เนื่องจากอะตอมของไนโตรเจนและออกซิเจนในบรรยากาศชั้นบน ได้รับรังสีคลื่นสั้นจากดวงอาทิตย์จึงแตกตัวเป็นประจุ (Ion) บรรยากาศชั้นนี้มีอุณหภูมิสูงมาก อย่างไรก็ตามการที่มีอุณหภูมิสูงมากขึ้นไม่ได้หมายความว่าจะต้องมีความร้อนมากขึ้นด้วย เนื่องจากโมเลกุลของอากาศในชั้นนี้อยู่ห่างกันมาก และมีอยู่เบาบางมาก อุณหภูมิคือระดับพลังงานของอะตอมหรือโมเลกุลแต่ละตัว แต่ปริมาณความร้อนขึ้นอยู่กับมวลทั้งหมดของสสาร
ที่ระดับความสูงประมาณ 80 – 400 กิโลเมตร โมเลกุลของแก๊สไนโตรเจนและออกซิเจนในบรรยากาศชั้นบนสุด ดูดกลืนรังสีแกมมาและรังสีเอ็กซ์ จนทำให้อะตอมของแก๊สมีอุณหภูมิสูงมากจนแตกตัวและสูญเสียอิเล็กตรอน กลายเป็นประจุ (Ion) บางครั้งเราเรียกบรรยากาศชั้นนี้ว่า “ไอโอโนสเฟียร์” (Ionosphere) มีสมบัติในการสะท้อนคลื่นวิทยุ ทำให้เกิดประโยชน์ในการสื่อสารโทรคมนาคมระยะไกล
เหนือชั้นไอโอโนสเฟียร์ขึ้นไป ไม่มีขอบเขตที่ชัดเจนระหว่างบรรยากาศและอวกาศ เราเรียกเขตติดต่อระหว่างบรรยากาศและอวกาศ ที่ระดับความสูง 400 – 1000 กิโลเมตร ว่า “เอ็กโซสเฟียร์” (Exosphere) แม้ว่าโมเลกุลของอากาศจะมีอยู่เบาบางและอยู่ห่างกันมาก แต่ก็มีความหนาแน่นมากพอที่จะสร้างแรงเสียดทานให้กับดาวเทียมและยานอวกาศซึ่งเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูง
