層級分布
中間層頂（約85千米）至250km（在太陽寧靜期）或500km左右（太陽活動期）之間的大氣層。熱層又稱暖層。從熱層底部向上，大氣溫度迅速增加，達到溫度梯度消失時的高度，即為熱層頂。
氣候特徵
溫度
熱層頂高度隨太陽活動變化很大，通常在300～500千米之間。熱層幾乎吸收了波長短於1750埃的全部太陽紫外輻射，成為主要熱源，熱層溫度結構主要受太陽活動的支配。
這一層溫度隨高度增加而迅速增加，層內溫度很高，層頂溫度可達1500K，晝夜變化很大，熱層下部尚有少量的水分存在，因此偶爾會出現銀白並微帶青色的夜光雲。
大氣密度
熱層存在於離地表85公里以上的高空。在這樣的高度，剩餘的大氣氣體會根據分子量而分層。熱層的空氣極為稀薄，本層質量僅占大氣總質量的0.5%。在120公里高度以上的空間，空氣密度已小到聲波難以傳播的程度，在270公里高度上，空氣密度約為地面空氣的百億分之一，在300公里的高度上，空氣密度只及地面密度的千億分之一，再向上空氣就更稀薄了。
電離
熱層的大氣分子吸收了因太陽的短波輻射及磁場後其電子能量增加，當中一部份進行電離，這些電離過的離子與電子形成了電離層，在熱成層的電離層，存在著E層（離地面100-120公里）、F1層（離地面170-230公里）、F2層（離地面200-500公里）（夜間融合為F層，約離地面300-500公里)三層。而因季節變化更會出現突發性E層（Es層，約離地面100公里），電離層可以反射無線電波，因此它又被人類利用進行遠距離無線電通信。
極光現象
熱層在高緯度地區因磁場而被加速的電子會順勢流入，與熱層中的大氣分子衝突繼而受到激發及電離。當那些分子復回原來狀態的時候，就會產生髮光現象。此稱為極光。
環境影響
2012年11月一期英國《自然—地球科學》雜誌刊登報告說，在大氣層分層中處於上部的熱層，其二氧化碳含量近來出現上升趨勢。這是科學家首次直接觀測到這個層次大氣中二氧化碳含量上升，說明人類大量排放二氧化碳的影響已經觸及大氣外圍。在101千米的高度，二氧化碳含量在以每十年23.5ppm(1ppm為一百萬分之一)的速率增長。
熱層的二氧化碳濃度增加，可能對這一高度範圍內的衛星造成影響。因為氣溫下降，氣體密度變低，氣體對衛星的阻力也會減小，長期作用下可能會導致衛星軌道變化。
