La temperatura dell’aria diminuisce fin verso 10 – 15 km con l'aumentare della quota. Diversi fattori influiscono sull’andamento della temperatura con la quota, ad esempio il suo contenuto di vapore acqueo.
Per ogni 100 metri di aumento di quota, la temperatura dell’aria diminuisce in media di 0,65 °C. Nel caso in cui l'aria dovesse essere molto secca, per esempio durante una situazione di alta pressione, potrebbe anche raffreddarsi di quasi 1 °C ogni 100 metri. Questo valore è il risultato di alcuni processi fisici che hanno a che fare con la pressione dell'aria, gli scambi di energia sotto forma di radiazione e il contenuto di vapore acqueo.
Come per tutti i gas, anche per l’aria temperatura e pressione sono in relazione fra loro. Ad esempio, a parità di condizioni, maggiore è la pressione e più alta è la temperatura. Poiché la pressione atmosferica è più elevata a livello del mare, con condizioni di tempo simili, è qui che solitamente si registrano le temperature più alte. Più si sale in quota, più la temperatura diminuisce a causa, in primis, del graduale ridursi della pressione. L’andamento della temperatura dell’aria con la quota è determinato pure da come viene riscaldata l’atmosfera. Poiché i gas che compongono l’aria sono in grado di assorbire solo una piccola parte della radiazione solare a onda corta, l’atmosfera è riscaldata principalmente “dal basso”, vale a dire dalla superficie terrestre. La radiazione solare incidente a onda corta viene dunque assorbita dalla superficie terrestre, la quale, con l’energia che così assorbe, si riscalda e inizia ad emettere a sua volta energia, questa volta però sotto forma di radiazione a onda lunga (radiazione termica infrarossa), verso gli strati dell’atmosfera sovrastanti. I gas che compongono l’aria sono in grado di assorbire una buona parte di tale radiazione e di conseguenza l’aria si riscalda.
L'atmosfera è in grado di assorbire la radiazione a onda lunga (radiazione termica infrarossa) in funzione della presenza di vapore acqueo nell’aria (vedi umidità). Più vapore acqueo è presente e più radiazione a onda lunga viene assorbita. Se uno strato di atmosfera viene riscaldato, esso è a sua volta in grado di emettere della radiazione a onda lunga sia verso l’alto, sia di nuovo verso il basso, verso la superficie terrestre. Questo tipo di radiazione è presente anche di notte. Il bilancio radiativo dell’atmosfera, dato dai flussi di radiazione a onde corte e a onde lunghe, è alla base dell’effetto serra naturale.
Il contenuto di vapore acqueo nell'atmosfera dipende anche dalla pressione. Con l'aumento della quota e la diminuzione della pressione, il contenuto di vapore acqueo nell’aria diventa sempre più scarso. Quindi, con l'aumentare della quota, l'atmosfera può assorbire sempre meno radiazione a onde lunghe e l'atmosfera diventa quindi sempre più “trasparente” alla radiazione a onde lunghe emessa dalla superficie terrestre. La radiazione a onde lunghe che non viene assorbita lascia l'atmosfera e si disperdere nello spazio.
Quando l'aria calda sale, si espande a causa della diminuzione di pressione. L'espansione dell'aria richiede energia, che viene prelevata dalla sua energia interna. Questo fa sì che, espandendosi con l'aumentare della quota, l'aria che sale si raffredda.