Atmosfēras augšējos slāņus parasti uzskata par termosfēras reģionu, kas ir plāns, ārējais Zemes atmosfēras slānis, kas sākas aptuveni 56 kilometrus uz augšu un stiepjas līdz aptuveni 90 jūdzēm (375 kilometriem). Kosmosa kuģi, piemēram, Starptautiskā kosmosa stacija (SKS) vai US Space Shuttle, parasti riņķo atmosfēras augšējos slāņos aptuveni 604 jūdžu (140 kilometru) attālumā. Turpretim komerciālās lidmašīnas pārvietojas daudz zemāka līmeņa stratosfērā, kas stiepjas līdz maksimālajam 225 jūdzes (31 kilometru) augstumam, kur atrodas Zemes ozona slānis.
Lai gan Zemes atmosfēras augšējo daļu gaisa koncentrācija termosfēras reģionā ir ļoti vāja, salīdzinot ar to, ko cilvēki piedzīvo uz Zemes virsmas, šī atmosfēra ir arī ļoti karsta, pateicoties starojumam, ko tā saņem no Saules. Aplēses par atmosfēras gāzēm termosfēras augšdaļā liecina, ka to temperatūra sasniedz 3,600 ° Fārenheita (2,000 ° C). Atmosfēras gāzu retuma dēļ šajā līmenī tomēr to siltums netiek nodots objektiem, kas iet caur šo reģionu.
Piektais augšējā atmosfēras slānis, kas saplūst ar kosmosa vakuumu un bieži netiek uzskatīts par faktiskās atmosfēras daļu, ir eksosfēra. Eksosfēras gaisa blīvums ir ārkārtīgi zems, un reģions stiepjas no aptuveni 375 jūdzēm (604 kilometriem) līdz 6,200 jūdzēm (9,978 kilometriem). Eksosfēra saplūst ar virs tās esošajiem Van Allan starojuma jostas reģioniem, spēcīgi uzlādētu magnētisko daļiņu apgabalu, ko rada un notur Zemes magnētiskais lauks. Eksosfēra ir tik plāna, ka augstākos reģionos uz kubikcentimetru telpas ir tikai aptuveni viens gaisa vai ūdeņraža atoms, un vairāk nekā 50% šādu molekulu galu galā izplūst kosmosā. Šis reģions tiek izmantots daudziem zemas orbītas satelītiem, kurus neietekmē retinātās gāzes.
Viens no atmosfēras augšējo slāņu unikālajiem aspektiem ir tas, ka tā ir polārblāzmu mājvieta, piemēram, Aurora Borealis un Aurora Australis jeb ziemeļblāzma un dienvidu blāzma, kas ir visskaidrāk redzamas 10° līdz 20° platuma grādos no ziemeļu vai ziemeļblāzmas. Dienvidpoli. Gaismas ģenerē magnētiskie efekti, ko Zeme rada, mijiedarbojoties ar saules vēju un atmosfēras gāzēm šajā līmenī. Krāsas, ko gaismas parāda augšējā atmosfēras slānī, ir atkarīgas no ietekmēto gaisa molekulu veida, no zaļas līdz brūngani sarkanai krāsai, ko rada skābeklis, zilu no jonizēta slāpekļa un sarkanu no slāpekļa ar zemāku enerģijas līmeni.