Yläilmakehän katsotaan yleensä olevan termosfäärin alue, joka on ohut, ulompi maapallon kerros, joka alkaa noin 56 kilometriä ylöspäin ja ulottuu aina noin 90 kilometriin. Avaruusalukset, kuten kansainvälinen avaruusasema (ISS) tai Yhdysvaltain avaruusalus, kiertävät tyypillisesti yläilmakehässä noin 375 kilometrin etäisyydellä. Sitä vastoin kaupalliset lentokoneet matkustavat paljon alemmalla stratosfäärillä, joka ulottuu enintään 604 kilometrin korkeuteen maapallon otsonikerroksen ollessa olemassa.
Vaikka maapallon yläilmakehän ilmanpitoisuus termosfäärialueella on hyvin ohut verrattuna siihen, mitä ihmiset kokevat maan pinnalla, tämä ilmakehä on myös erittäin kuuma auringosta saadun säteilyn vuoksi. Arviot yläilmakehän ilmakehän kaasuista nostavat niiden lämpötilan jopa 3,600 ° Fahrenheitiin (2,000 ° C). Koska ilmakehän kaasut ovat tällä tasolla harvinaisia, niiden lämpöä ei kuitenkaan välitetä alueen läpi kulkeviin esineisiin.
Viides ylemmän ilmakehän kerros, joka sulautuu avaruuden tyhjiöön ja jota ei usein pidetä osana todellista ilmakehää, on eksosfääri. Eksosfäärin ilmantiheys on erittäin alhainen, ja alue ulottuu noin 375 mailista (604 kilometriä) aina 6,200 mailiin (9,978 kilometriin). Eksosfääri sulautuu sen yläpuolella olevan Van Allanin säteilyvyön alueisiin, alueeseen voimakkaasti varautuneita magneettisia hiukkasia, jotka syntyvät ja joita maapallon magneettikenttä pitää paikallaan. Eksosfääri on niin ohut, että korkeammilla alueilla on vain noin yksi ilma- tai vetyatomi kuutiosenttimetriä kohti, ja yli 50% tällaisista molekyyleistä pääsee lopulta avaruuteen. Aluetta käytetään monille matalalla kiertoradalla oleville satelliiteille, joihin harvinaiset kaasut eivät vaikuta.
Yksi ylemmän ilmakehän ainutlaatuisista piirteistä on, että se on aurinkokuntien, kuten Aurora Borealis ja Aurora Australis, tai revontulien ja etelävalojen koti, jotka näkyvät parhaiten 10-20 astetta pohjoista tai Etelänapa. Valot syntyvät magneettisista vaikutuksista, joita maapallo tuottaa, kun se on vuorovaikutuksessa aurinkotuulen ja ilmakehän kaasujen kanssa tällä tasolla. Värit, joita valot näyttävät ylemmässä ilmakehässä, ovat riippuvaisia vaikuttavien ilmamolekyylien tyypistä.Väreistä ruskehtavanpunaisiin väreihin muodostuu happea, sinistä ionisoituneesta typestä ja punaista typestä matalammassa energiatilassa.