La caractéristique thermique la plus étonnante et fondamentale de la stratosphère est l'inversion de température. Alors que dans la troposphère la température chute avec l'altitude, dans la stratosphère, elle augmente progressivement, passant d'environ -56 °C à la tropopause à près de -2 °C, voire 0°C, à la stratopause. Ce réchauffement est entièrement dû à la présence de la couche d'ozone. La concentration maximale d'ozone se situe entre 20 et 30 kilomètres d'altitude. Les molécules d'ozone absorbent la très grande majorité du rayonnement ultraviolet solaire, en particulier les UV-B et UV-C. En absorbant cette énergie, l'ozone chauffe l'air environnant, créant ainsi ce gradient thermique positif. Cette structure thermique rend la stratosphère extrêmement stable d'un point de vue dynamique. L'air plus froid et dense se trouve en bas, et l'air plus chaud et léger en haut, ce qui empêche tout mouvement vertical de convection. Contrairement à la troposphère bouillonnante où se forment les nuages et les tempêtes, la stratosphère est stratifiée de manière laminaire.

Cette stabilité a des conséquences directes sur la composition chimique et la circulation de l'air. Les particules et les gaz qui atteignent cette couche, que ce soit des aérosols issus d'éruptions volcaniques majeures, des polluants industriels très stables comme les chlorofluorocarbures (CFC), ou des cendres de grands incendies, peuvent y persister pendant des mois, voire des années. Ils ne sont pas rapidement lessivés par les précipitations comme dans la troposphère. Ils sont simplement transportés horizontalement par des courants puissants. La circulation dans la basse stratosphère est dominée par la circulation de Brewer-Dobson, un système planétaire de lentes boucles qui déplace l'air des tropiques vers les pôles. La nuit polaire crée un autre phénomène spectaculaire : le vortex polaire stratosphérique, une immense dépression tourbillonnante de vents d'ouest très violents qui se forme chaque hiver autour des pôles et emprisonne l'air froid. Dans l'obscurité totale de l'hiver antarctique, des températures inférieures à -85 °C peuvent être atteintes, ce qui permet la formation de nuages stratosphériques polaires nacrés, d'une beauté irisée, composés de cristaux de glace d'eau et d'acide nitrique. Ces nuages sont la surface catalytique sur laquelle les CFC se transforment en composés chlorés actifs qui, au retour de la lumière solaire au printemps, détruisent catalytiquement l'ozone et créent le fameux "trou" dans la couche d'ozone.

D'un point de vue aéronautique, la basse stratosphère, juste au-dessus de la tropopause, est l'espace privilégié des vols long-courriers commerciaux, généralement entre 10 et 13 kilomètres d'altitude. Les avions recherchent cet environnement car l'absence de convection élimine la turbulence associée aux nuages et aux courants ascendants, offrant un vol remarquablement stable, même si la turbulence en air clair liée aux courants-jets troposphériques situés juste en dessous reste possible. L'air raréfié offre également une résistance moindre, ce qui permet d'importantes économies de carburant. 

Historiquement, la stratosphère a été un laboratoire pour l'exploration des limites humaines, avec des pionniers comme Auguste Piccard qui, dans les années 1930, a inventé la cabine pressurisée d'un ballon pour s'élever à près de 16 kilomètres, démontrant qu'un être humain pouvait survivre et travailler dans cet environnement hostile. 

Ajoutons qu'au sommet de la stratosphère se produit un phénomène lumineux rare et gigantesque appelé "sprites" ou "elfes", des éclairs rougeoyants et fugaces qui jaillissent vers le haut, depuis le sommet de certains orages troposphériques puissants, jusqu'à la mésosphère, reliant électriquement les couches inférieures et supérieures de l'atmosphère à travers la stratosphère stable.

Les stratosphères extraterrestres.
Certaines des planètes qui possèdent une atmosphère possèdent une troposphère analogue à celle de la Terre, caractérisée par un gradient thermique négatif, et au-dessus d'elle , l'analogue d'une stratosphère, qui correspond elle aussi à une inversion thermique où la température cesse de diminuer et recommence à augmenter. Cependant, les mécanismes responsables de cette inversion sont très variés.

Vénus possède une stratosphère relativement mince où la température recommence progressivement à augmenter sous l'effet de l'absorption du rayonnement solaire par les aérosols sulfurés et par certaines espèces chimiques mineures. Cette région constitue le siège d'une photochimie très active produisant notamment des composés soufrés complexes et des variations saisonnières encore imparfaitement comprises.

La stratosphère de Mars débute vers 35 à 50 km selon les saisons. L'inversion thermique y est principalement due à l'absorption du rayonnement solaire par les poussières en suspension ainsi que par l'ozone, dont la concentration reste toutefois très faible comparée à celle de la Terre. La photochimie de cette couche contrôle une grande partie des cycles du dioxyde de carbone, de la vapeur d'eau, du monoxyde de carbone et de l'ozone.

La stratosphère Jupiter est, quant à elle, chauffée par l'absorption du rayonnement solaire par le méthane ainsi que par les hydrocarbures complexes produits par photolyse, notamment l'éthane et l'acétylène. Des aurores polaires extrêmement puissantes injectent également une quantité importante d'énergie dans la haute atmosphère, modifiant localement la structure thermique. Les observations des missions Galileo puis Juno ont révélé une dynamique verticale complexe reliant la troposphère profonde, les couches nuageuses et la stratosphère par des ondes de gravité et planétaires.

Pour sa part, la stratosphère Saturne est particulièrement sensible aux variations saisonnières en raison de l'inclinaison de l'axe de rotation. Le méthane absorbe le rayonnement ultraviolet, produisant une grande variété d'hydrocarbures complexes qui contribuent au réchauffement de cette couche. Les observations infrarouges de la mission Cassini ont montré que des oscillations thermiques analogues à l'oscillation quasi biennale terrestre existent dans la stratosphère de Saturne. Les tempêtes géantes troposphériques peuvent également injecter des ondes qui perturbent durablement la circulation stratosphérique.

Le chauffage de la stratosphère d'Uranus se fait principalement par l'absorption du rayonnement solaire par le méthane et par les hydrocarbures issus de sa photodissociation. Les concentrations de ces molécules demeurent faibles mais suffisantes pour produire une inversion thermique nette. Les observations infrarouges suggèrent également la présence de brumes photochimiques qui modifient le bilan radiatif.

La stratosphère de Neptune est relativement chaude par rapport aux prévisions des modèles radiatifs simples. Cette anomalie thermique résulte probablement de l'action combinée du méthane, des hydrocarbures photolytiques, du transport vertical et peut-être de mécanismes dynamiques encore imparfaitement compris. La circulation entre troposphère et stratosphère semble particulièrement active, avec un mélange vertical efficace favorisant les réactions photochimiques.

La stratosphère de Titan est l'une des plus complexes du Système solaire. Le rayonnement ultraviolet y dissocie le méthane, produisant une immense variété de molécules organiques telles que l'éthane, le propane, le benzène, les nitriles et de nombreux hydrocarbures plus lourds. Ces composés s'agrègent progressivement en aérosols organiques appelés tholins, responsables de la couleur orangée caractéristique de Titan. Les vents stratosphériques dépassent fréquemment 150 m/s et assurent un transport efficace des espèces chimiques entre les différentes latitudes. La mission Cassini-Huygens a montré que cette couche présente une évolution saisonnière remarquable, avec l'apparition de vastes vortex polaires riches en composés organiques.

L'atmosphère saisonnière de Puton possède aussi une vaste couche présentant une inversion thermique, assimilable à une stratosphère, est produite par l'absorption du rayonnement solaire par le méthane. De multiples couches de brumes photochimiques s'étendent jusqu'à plus de 200 km d'altitude et résultent de la polymérisation progressive des produits de photolyse du méthane.