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平流层（英语：stratosphere）是地球大气圈中位于对流层上方和中间层下方的一层。其下界即对流层上界，依纬度、季节而变，距地面8~18千米，平均11~12千米；其上界距地面50~55千米。平流层的温度变化趋势（逆温分布）与对流层相反，随着高度的增加，气温大体呈递增趋势，至平流层顶达-3℃左右，最高可达17℃。由于上热下冷，在平流层里大气多大尺度平流运动，几乎没有上下对流，气流平稳，且很少出现云雨等天气现象，能见度（透明度）好[1]，因此适合飞机飞行[2][3]。
| 散逸层（600 km ～ 2000 km至3000 km） |
| 增温层（80至85 km ～ 600 km） |
| 中气层（50 km ～ 80至85 km） |
| 平流层（8至18 km ～ 50 km） |
| 对流层（地面 ～ 8至18 km） |
平流层的热源主要是臭氧，靠其吸收太阳紫外线辐射而增温。平流层聚集了大气层中约90%的臭氧，臭氧浓度高值处称臭氧层[注 1]。臭氧层吸收了到达地球的绝大部分紫外线，对人和其他生物有重要的保护作用。近几十年来，臭氧层受到了严重破坏，尤其是被称作“臭氧层空洞”的南极上空臭氧浓度极低值区。
尽管天气现象少见，但中、高纬度（尤其是北欧等地）早、晚时偶可观测到由细小冰晶组成的，有珍珠斑色彩，薄而透明的珠母云。平流层环流变化常为对流层环流变化的先兆，因而对长期天气预报有参考价值。
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1902年，法国气象学家德博和德国气象学家阿斯曼经过协调，分别发表了各自多年观察的结果。他们依据高空气球仪表所记录到的温度，在高度约11~14公里处发现一个等温层（isothermal layer），位于平流层下部的底端。平流层别称同温层，正源于此。
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平流层下接对流层，上承中间层，或平流层以上又可统称上层大气[3]。其下界即对流层上界（具体来说，与对流层之间还有一个称作“对流层顶”的过渡层），受地面影响，高度依纬度、季节而变化，距地面8~18千米，平均11~12千米。平流层上界据不同说法在50[2][4]~55[1]千米[3]之间。
平流层的温度变化趋势为逆温分布。随着高度的增加，气温起初不变[4]或略升[5]（对流层顶平均气温为高纬-53℃~低纬-83℃），至距地面约30千米时显著上升[1]，尤其是35千米（臭氧层顶）以上迅速上升[3]，至平流层顶达-3℃左右[5]，最高可达17℃[1]。
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平流层有如此气温结构的原因是其热源主要为臭氧。对流层主要靠吸收地面辐射的红外线而升温，而平流层主要靠臭氧直接吸收太阳紫外线辐射而增温。平流层聚集了大气层中约90%的臭氧，臭氧浓度高值区称臭氧层[6]。臭氧的浓度会随着纬度、季节、天气等变化而不同[7]，“高浓度”阈值的定义也不同，依据臭氧浓度而划定的臭氧层范围也并非固定值，有22~25千米[6]、20~25千米[7]、20~30千米[5]、15~35千米[3]等多种说法，或直接将10~50千米大致整个平流层都称作臭氧层[5][8]。臭氧层上部尽管臭氧含量逐渐减少，但紫外线辐射尤为强烈，因此成为气温随高度上升最显著的区域[3]。
臭氧层吸收了到达地球的绝大部分紫外线，对人和其他生物有重要的保护作用。近几十年来，臭氧层受到了严重破坏，尤其是被称作“臭氧层空洞”的南极上空臭氧浓度极低值区。1987年联合国签署了《蒙特利尔议定书》限制氟氯烷烃的生产和使用以保护臭氧层[6][3]。
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由于上热下冷，在平流层里大气多大尺度平流运动[5]，几乎没有上下对流，气流平稳[3][9]，再加上对流层顶阻滞了垂直气流，聚集了对流层内上升的水汽、杂质[10]，导致平流层很少出现云和降水。雨、雪、雷电等绝大部分物理过程均发生在对流层，但平流层也偶有天气现象发生，如中、高纬度（尤其是北欧等地）早、晚时偶可观测到由细小冰晶组成的，有珍珠斑色彩，薄而透明的珠母云[4]（又叫贝母云），多出现在距地面22~27千米高度上[1][5]。此外，对流层中积雨云发展非常旺盛时顶部也可能延伸到平流层底部[5]。
尽管有对流层顶这一深厚的对流阻滞层存在，但同样由于这一层阻碍了平流层与对流层的物质交换，若由于火山喷发等原因大气污染物一旦进入了平流层，便难以消退，甚至可形成永久性平流层气溶胶霾层，强烈反射和散射太阳辐射导致对流层降温[5]。
平流层的风向特点是：在中纬度地区，夏季为东风，冬季为西风。平流层环流变化常为对流层环流变化的先兆，因而对长期天气预报有参考价值[5]。
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平流层是一个放射性、动力学及化学过程都会有强烈反应的区域。因为其水平的气态成份混合比起垂直的混合都来得要快。一个较为有趣的平流层环流特性是发生于热带地区的准双年震荡（QBO）。这种现象由重力波引导，是由于对流层的对流而引至的。准双年震荡引致了次级环流的发生，这对于全球性的平流层输送诸如臭氧及水蒸气等尤为重要。
在北半球的冬季，平流层突发性增温经常发生。这是因为平流层吸收了罗斯贝波所致。
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臭氧层的损耗主因，是因为平流层中存在著含氯氟烃（简称CFCs - 如CF2Cl2及CFCl3）。含氯氟烃是氯、氟及碳的聚合物。正因为含氯氟烃的稳定性、价钱低廉、无毒性、非易燃性、非腐蚀性，时常被用作喷雾剂、冷却剂及溶剂等等。但正因它的稳定性却使其持续存在于环境之中，不易化解。这些分子会逐渐地飘到平流层，继而进行一连串的链锁反应，最终会使到臭氧层受到损耗。
美国政府早于1980年已经禁止使用含氯氟烃作为喷雾剂。世界各国亦开始于1987年9月努力减少使用含氯氟烃，直至1996年，全球禁止工厂生产及释放含氯氟烃的法例终于生效。
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目前大型客机大多飞行于此层，以增加飞行的稳定度。原因有：
- 能见度高：地球大气的平流层水汽、悬浮固体颗粒、杂质等极少，天气比较晴朗，光线比较好，能见度很高，便于高空飞行。
- 受力稳定：平流层的大气上暖下凉，大气不对流，以平流运动为主，飞机在其中受力比较稳定，便于飞行员操纵驾驶，并可节省燃油消耗。
- 噪声污染小：平流层距地面较高，飞机绝大部分时间在其中飞行，对地面的噪音污染相对较小。
- 安全系数高：飞鸟飞行的高度一般达不到平流层，飞机在平流层中飞行就比较安全。在起飞和着陆时，要设法驱赶开飞鸟才更为安全。
从亚洲飞往北美和加拿大的航机多会取道高速气流，以缩短航程和节省燃油。
在温带地区，商业客机一般会于离地表约10千米（33,000英尺）的高空，即平流层的底部处巡航。这是为了避开对流层因对流活动而产生的气流。而在客机巡航阶段所遇上的气流，大多是因为在对流层发生了对流超越现象。同样地，滑翔机一般会在上升暖气流上滑翔，这股气流从对流层上升到达平流层就会停止。这样一来变相为世界各地的滑翔机设定了高度限制。（纵然有些滑翔机会用上背风波来飞得更高，把滑翔机带到平流层之中。）
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