Gornja atmosfera općenito se smatra područjem termosfere, što je tanak, vanjski sloj Zemljine atmosfere koji počinje oko 56 milja (90 kilometara) gore i proteže se sve do oko 375 milja (604 kilometra). Svemirske letjelice kao što je Međunarodna svemirska postaja (ISS) ili US Space Shuttle obično orbitiraju u gornjim slojevima atmosfere na udaljenosti od oko 140 milja (225 kilometara). Nasuprot tome, komercijalni zrakoplovi putuju u stratosferi mnogo niže razine koja se proteže do maksimalne visine od 31 milje (50 kilometara) gdje postoji Zemljin ozonski omotač.
Iako je koncentracija zraka u gornjoj Zemljinoj atmosferi u području termosfere vrlo tanka u usporedbi s onim što ljudi doživljavaju na Zemljinoj površini, ova atmosfera je također vrlo vruća zbog zračenja koje prima od Sunca. Procjene za atmosferske plinove u gornjoj termosferi navode njihovu temperaturu na čak 3,600° Fahrenheita (2,000° Celzijusa). Međutim, zbog rijetkosti atmosferskih plinova na ovoj razini, njihova se toplina ne prenosi na objekte koji prolaze kroz regiju.
Peti sloj gornje atmosfere koji se spaja s vakuumom svemira i koji se često ne smatra dijelom stvarne atmosfere je egzosfera. Gustoća zraka u egzosferi je izuzetno niska, a regija se proteže od oko 375 milja (604 kilometra) do 6,200 milja (9,978 kilometara). Egzosfera se spaja s područjima Van Allanovog radijacijskog pojasa iznad nje, područjem snažno nabijenih magnetskih čestica koje stvara i drži na mjestu Zemljino magnetsko polje. Egzosfera je toliko tanka da postoji samo oko jedan atom zraka ili vodika po kubičnom centimetru prostora u višim područjima, a preko 50% takvih molekula na kraju pobjegne u svemir. Regija se koristi za mnoge satelite u niskoj orbiti na koje razrijeđeni plinovi ne utječu.
Jedan od jedinstvenih aspekata gornje atmosfere je da je dom polarnih svjetlosti, kao što su Aurora Borealis i Aurora Australis, ili Northern Lights i Southern Lights, koje su najjasnije vidljive unutar 10° do 20° geografske širine sjevera ili Južni polovi. Svjetla su generirana magnetskim efektima koje Zemlja stvara kada je u interakciji sa sunčevim vjetrom i atmosferskim plinovima na ovoj razini. Boje koje svjetla prikazuju u gornjim slojevima atmosfere ovise o vrsti molekula zraka na koje se utječe, sa zelenom do smeđkastocrvenom bojom koju proizvodi kisik, plavom iz ioniziranog dušika i crvenom iz dušika na nižem energetskom stanju.