Mesosfæren er eit lag ijordatmosfæren som ligg mellomstratosfæren ogtermosfæren i nivået 50 til om lag 80-85 km over jordoverflata. I dette laget minkar temperaturen med høgda. Den viktigaste dynamiske prosessen i dette området ergravitasjonsbølgjer, som kjem av momentum som forplantar seg oppover frå den lågare atmosfæren til den lågare termosfæren.
Fordi mesosfæren er over den maksimale høgda dei fleste flytypar kan nå, og under høgda dei fleste romfartøy opererer i, kan ein vanlegvis berre nå dette området med hjelp av forskingsrakettar (t.d. slike ein sender opp fråAndøya). Derfor er dette eit nivå av atmosfæren ein veit lite om.
Temperaturen i den øvre mesosfæren kan bli så låg som -73 °C, avhengig avbreiddegrad ogårstid. Millionar avmeteorar brenn opp dagleg i mesosfæren fordi dei kolliderer med gasspartiklane som finst her. Dette gjer at det er ein høg konsentrasjon avjern og andre metall i mesosfæren. Kollisjonane genererer nesten alltid nok varme til at fallande lekamar brenn opp lenge før dei når jordoverflata.
Stratosfæren og mesosfæren blir kalla den midtre atmosfæren.Mesopausen ligg i ei høgd rundt 80-85 km, og markerer grensa mellom mesosfæren og termosfæren. Over dette nivået aukar temperaturen med høgda igjen. Nær denne høgda finn ein ogturbopausen, som markerer grensa mellom nivået der kjemiske stoff går frå å vere godt utblanda og der forskjellige kjemiske stoff byrjar å endre konsentrasjon med høgda.