Mens lavere atmosfærelag hovedsakelig består av nøytral gass, består termosfæren hovedsakelig av ionisert gass, altså gass bestående av elektrisk ladete partikler. Delen av atmosfæren som hovedsakelig består av ionisert gass kalles ionosfæren, og overlapper ganske godt med termosfæren, men noen inkluderer også eksosfæren i ionosfæren. Den lavere ionosfæren domineres av ionene O og NO, mens O er dominerende over omtrent 200 km. Ionisering skjer hovedsakelig ved hjelp av ultrafiolett stråling fra sola, men spesielt i polarområdene bidrar også kollisjoner med solvindpartikler. Slike kollisjoner fører også til nordlys.