Temperaturen i termosfæren øker gradvis med høyden. I motsetning til stratosfæren under, hvor en temperaturinversjon finner sted på grunn av at ozon absorberer stråling, skjer inversjon i termosfæren på grunn av den svært lave tettheten av dens molekyler. Temperaturen i dette laget kan stige så høyt som til 1500 °C, selv om gassmolekylene er så langt fra hverandre at dens temperatur i vanlig forstand ikke er særlig meningsfull. Luften er så tynn at et enkelt molekyl, for eksempel oksygen, beveger seg gjennomsnittlig 1 km for hver kollisjon med andre molekyler. Selv om termosfæren har en høy andel av molekyler med høy energi, ville det ikke føles varmt selv om et menneske skulle komme i direkte kontakt med den, fordi tettheten er for lav til å avgi noe energi av betydning til eller fra huden.