Dans la troposphère, la température diminue à mesure que l'altitude augmente principalement parce que l'atmosphère terrestre est chauffée vers le haut à partir du niveau le plus bas. Bien que la lumière du soleil traverse les altitudes plus élevées pour atteindre la surface de la Terre, la surface est beaucoup plus mieux à absorber la chaleur solaire.
L'air est plus chaud à proximité d'une source de chaleur que l'air qui en est éloigné, et la Terre est une source de chaleur pour l'atmosphère. Du sol vers le haut, la chaleur rayonne progressivement à travers la troposphère, dont une partie rayonne dans l'espace. De plus, l'air a une faible conductivité thermique en volume. Au fur et à mesure que l'air chaud monte et se dilate, il pousse contre l'atmosphère existante, mais il transfère si peu de chaleur que le processus entraîne une perte nette d'énergie. Cependant, il existe des exceptions connues sous le nom d'inversions de température, et celles-ci sont causées par des fronts chauds, des remontées océaniques et d'autres effets météorologiques. De plus, la température ne diminue avec l'altitude que dans la troposphère et la mésosphère ; dans la thermosphère au-dessus de la Terre, le rayonnement ultraviolet, et non la surface de la Terre, est la principale source de chaleur, comme c'est le cas dans la stratosphère. La thermosphère a son nom parce que les molécules d'air individuelles peuvent y atteindre une température de 2 500 degrés Celsius. Au-delà de la thermosphère se trouve l'exosphère, qui est le bord de l'espace.
