Stratosfer’in üst sınırından itibaren 80-90 km yüksekliğe kadar çıkar. Gaz molekülleri seyrektir. İklim üzerinde etkisi azdır. Ozon tabakasının büyük bölümü bu katmanda yer alır. Ayrıca atmosfere giren göktaşları bu katmanda sürtünmenin etkisi ile yanmaktadır.Mezosferde sıcaklık yeniden –80°C ile –130°C’ye kadar düşer.

Ozonosfer, yerden 19-45 km arasında yer alır. Ozon (O3) gazının en çok yoğunlaştığı kesim olduğu için bu adı almıştır. Güneş’ten gelen ultraviyole (morötesi) ışınları, ozon gazı ile reaksiyona girerek parçalar. Bu şekilde zararlı ışınların Dünya’ya gelmesi engellenmiş olur.