Термосфе́ра (от термо... и сфера), слой атмосферы, расположенный между мезопаузой $(85–100 км)$ и нижней границей экзосферы $(500–800 км)$. Термосфера – наиболее изменчивая область верхней атмосферы Земли, активно реагирующая на изменения интенсивности излучения Солнца.

Температура в термосфере быстро возрастает с высотой (от около $200 К$ у нижней границы термосферы до $2500 К$ у верхней границы), что обусловлено прямым поглощением солнечного ультрафиолетового излучения. Плотность газа в термосфере уменьшается от около $2·10^{–5} кг/м^3$ на высоте $80 км$ до около $2·10^{–12} кг/м^3$ на высоте $500 км$. На высотах выше $110 км$ под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца, космических лучей и солнечных частиц происходит активная ионизация и диссоциация молекул, что приводит к образованию ионизованных слоёв воздуха (области $E$, $F1$ и $F2$ ионосферы), а также к значительному увеличению с высотой концентрации кислорода, азота и других химических элементов в атомарном состоянии. Существенную роль в термосфере играет молекулярная диффузия газов, приводящая к их разделению в поле силы тяжести. Следствие этого – значительное изменение с высотой средней молекулярной массы воздуха – от $29$ на уровне мезопаузы до $14$ на верхней границе термосферы.

Характеристики термосферы на разных высотах существенно зависят от географического положения, солнечной активности, сезона года и времени суток. Температурный и динамический режимы термосферы регулируются поглощаемой ею энергией, которая может поступать не только от внеатмосферных источников, но и из тропосферы. На движение ионизованных газовых составляющих термосферы большое влияние оказывают магнитогидродинамические силы.