熱成層亦稱熱層或暖層。 範圍從中間層頂至800公里左右。 物質組成密度很小,本層質量僅占大氣總質量的百分之零點五。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。 富含氧原子,空氣處於高度電離狀態。其中最強的電離層有兩層,E層和F層。E層約位於90-130公里,F層約位於160-350公里。 氣溫垂直分布隨著高度的增高,氣溫迅速升高。在300公里高度上,氣溫可達1000攝氏度以上。這是這裡的氧原強烈吸收波長小於0.175微米的太陽紫外線的緣故。 人類套用電離層具有反射無線電波的能力,人類利用它傳播無線電訊號。