Située entre 50 et environ 80 kilomètre d'altitude, la mésosphère se situe au-dessus de la stratosphère (elle-même au-dessus de la troposphère, en contact avec le sol).
Elle est séparée de la stratosphère par la stratopause et de la couche supérieure (la thermosphère) par la mésopause.
Avec une température minimale d'environ -100 °C, c'est la couche la plus froide de l'atmosphère. La vapeur d'eau peut y geler, formant des nuages particuliers, les nuages nacrés (noctilucent en anglais), à l'aspect irisé.