Die Mesosphäre (von griechisch μέση mésē „Mitte“ und σφαίρα, sphaíra „Kugel“) ist die mittlere der fünf Schichten der Erdatmosphäre und Teil von Ionosphäre und Homosphäre.
Sie ist zur Erde hin durch die Stratopause (in etwa 50 km Höhe) von der Stratosphäre und nach oben durch die Mesopause (in 80 bis 90 km Höhe) von der Thermosphäre abgegrenzt. Aufgrund der hier extrem ausgedünnten Luft sowie der Tatsache, dass kaum mehr Ozon vorhanden ist und sich die Absorption der energiereichen UV-Strahlung in der Stratosphäre abspielt, sinkt die Temperatur wieder von etwa 0 °C an der Stratopause mit jahreszeitlichen Schwankungen auf durchschnittlich etwa −90 °C in etwa 80 Kilometer Höhe. Die Temperaturabnahme ist mit rund 3 Kelvin/km allerdings erheblich geringer als die in der Troposphäre.
Die Mesosphäre reicht also von etwa 50 km bis in eine Höhe von etwa 85 km. Sie ist als die kalte Schicht bekannt, da hier Temperatur und Luftdruck dramatisch sinken. Da sich diese Sphäre über der Ozonschicht befindet, ist das UV-Licht hier so stark, dass ein menschlicher Körper sich innerhalb kürzester Zeit schwerste Verbrennungen zuziehen würde. Über ihr liegt die Mesopause. Danach bleibt die Temperatur erneut konstant und steigt erst in der Thermosphäre wieder kräftig – je nach Sonnenaktivität – auf bis zu 2.000 °C an. In der Mesosphäre existiert eine Zirkulation vom Sommer- zum Winterpol, die einen Aufwärtstransport von Luftmassen im Bereich des Sommerpols und einen Abwärtstransport im Bereich des Winterpols verursacht. Aufgrund der damit verbundenen adiabatischen Abkühlung und Erwärmung der Luft ist die Mesosphäre im Sommer wesentlich (etwa um 130 bis 150 K) kälter als im Winter.
Die chemische Zusammensetzung der Mesosphäre ist wie in der Troposphäre und Stratosphäre recht konstant. Ihre Hauptbestandteile sind Stickstoff, Sauerstoff, Argon und Kohlendioxid. Die Mesosphäre gehört damit zur Homosphäre. Wenn Meteore auf die Erde stürzen, verglühen sie meist in der Mesosphäre (Sternschnuppe).
In der oberen Mesosphäre der Polkappen bilden sich im Sommer leuchtenden Nachtwolken, die bläulich-silbern schimmernd mit bloßem Auge auch in unseren Breiten zu sehen sind, wenn sie das Licht der untergehenden Sonne reflektieren. Es handelt sich dabei vermutlich um Ansammlungen von Eisteilchen, die somit nicht mit dem Nord- oder Polarlicht, aber auch nicht mit den polaren Stratosphärenwolken verwechselt werden sollten.
