De mesosfeer is een laag in de atmosfeer tussen de stratosfeer en de thermosfeer. Onder de mesosfeer is de stratosfeer, deze lagen worden van elkaar gescheiden door de stratopauze, dit is de overgang van de stratosfeer naar de mesosfeer. Boven de mesosfeer is de thermosfeer, deze lagen worden van elkaar gescheiden door de mesopauze, dit is de overgang van de mesosfeer naar de thermosfeer. Het woord mesosfeer is afgeleid van de Griekse woorden ‘mesos’, dit betekent midden, en ‘sfaira’, dit betekent bol.

De mesosfeer begint 50 km boven het aardoppervlak en het houdt op, op 80 tot 85 km boven het aardoppervlak.

In de mesosfeer wordt de lucht steeds kouder als hoger je komt, dus hoe hoger hoe kouder. Dit is het tegenovergestelde van de stratosfeer, daar wordt de lucht juist warmer als je hoger komt. Het punt waar de tempratuur het hoogste is, is de scheiding tussen de stratosfeer en de mesosfeer. Dit tempratuurverschil komt doordat er meer ozon in de stratosfeer is. Ozon absorbeert straling en daardoor wordt het warmer als je dichter bij de ozonlaag komt. Omdat de ozonlaag bovenin de stratosfeer is wordt het dus warmer als je hoger in de stratosfeer komt, want je komt dan steeds dichter bij de ozonlaag. Als je hoger in de mesosfeer komt, wordt het juist kouder, omdat je dan steeds verder van de ozonlaag komt.  

Als je ongeveer 80 km boven het aardoppervlak bent is het rond de -100 °C. Dit is bovenin de mesosfeer.

In de mesosfeer komen de lichtende nachtwolken voor. Dit zijn een soort wolken die op 75 tot 80 km boven het aardoppervlak voorkomen. Na zonsondergang weerkaatsen deze wolken nog een tijd lang zonlicht.

Deze wolken ontstaan door kleine deeltjes in de bovenste lagen van de atmosfeer, bijvoorbeeld deeltjes afkomstig van meteorieten. Ook is er waterdamp nodig en kunnen de wolken alleen ontstaan tussen de -90 °C en -145 °C. Op de kleine deeltjes komt dan een laagje ijs, omdat de waterdamp is bevroren door de lage tempratuur. Het ijs zit om het deeltje heen, daardoor wordt het zonlicht weerkaatst. Doordat het zonlicht weerkaatst wordt zijn de nachtwolken ’s nachts wit, terwijl normale wolken dan donkergrijs zijn.

De vormen van de lichtende nachtwolken veranderen snel, omdat op de hoogte waar de wolken voorkomen de lucht heel snel beweegt, er komen luchtstromingen voor. De lucht beweegt niet omhoog of omlaag, maar opzij. Dus niet verticaal, maar horizontaal. De lucht beweegt dan met gemiddeld 150 km/u en soms wel 500 tot 700 km/u. Ook zijn er luchtstromingen die omhoog of omlaag bewegen, verticale luchtstromingen. Hierdoor bewegen de wolken snel en veranderen ze snel van vorm.