Zgornja atmosfera se na splošno šteje za območje termosfere, ki je tanka zunanja plast Zemljine atmosfere, ki se začne približno 56 milj (90 kilometrov) navzgor in se razteza vse do približno 375 milj (604 kilometre). Vesoljska plovila, kot je Mednarodna vesoljska postaja (ISS) ali ameriški Space Shuttle, običajno krožijo v zgornji atmosferi v dosegu približno 140 milj (225 kilometrov). Nasprotno pa komercialna letala potujejo v veliko nižji ravni stratosfere, ki sega do največje višine 31 milj (50 kilometrov), kjer obstaja ozonska plast Zemlje.
Medtem ko je koncentracija zraka v zgornjem zemeljskem ozračju v območju termosfere zelo majhna v primerjavi s tistim, kar ljudje doživljajo na zemeljski površini, je to ozračje tudi zelo vroče zaradi sevanja, ki ga prejme od Sonca. Ocene za atmosferske pline v zgornji termosferi kažejo, da njihova temperatura znaša kar 3,600° Fahrenheita (2,000°C). Zaradi redkosti atmosferskih plinov na tej ravni pa se njihova toplota ne prenaša na predmete, ki gredo skozi regijo.
Peta plast zgornje atmosfere, ki se zlije z vakuumom vesolja in se pogosto ne šteje za del dejanske atmosfere, je eksosfera. Gostota zraka v eksosferi je izjemno nizka in območje se razteza od približno 375 milj (604 kilometre) do 6,200 milj (9,978 kilometrov). Eksosfera se združi z območji Van Allanovega sevalnega pasu nad njo, območjem močno nabitih magnetnih delcev, ki jih ustvarja in drži zemeljsko magnetno polje. Eksosfera je tako tanka, da je v višjih območjih le približno en atom zraka ali vodika na kubični centimeter prostora in več kot 50 % takšnih molekul sčasoma pobegne v vesolje. Regija se uporablja za številne satelite v nizki orbiti, na katere redki plini ne vplivajo.
Eden od edinstvenih vidikov zgornje atmosfere je, da je dom polarnih sijev, kot sta Aurora Borealis in Aurora Australis ali severni sij in južni sij, ki sta najbolj jasno vidna znotraj 10° do 20° zemljepisne širine severne oz. južni tečaji. Luči nastanejo zaradi magnetnih učinkov, ki jih Zemlja ustvari, ko na tej ravni sodeluje s sončnim vetrom in atmosferskimi plini. Barve, ki jih luči prikazujejo v zgornji atmosferi, so odvisne od vrste molekul zraka, ki so prizadete, pri čemer so zelene do rjavkasto-rdeče barve, ki jih proizvaja kisik, modra iz ioniziranega dušika in rdeča iz dušika v nižjem energijskem stanju.