Heterosféra leží nad homosférou, tedy nad úrovní 90 km -100 km a její horní hranicí je 500 km - 750 km. Složení vzduchu v heterosféře je jiné než v homosféře a mění se s výškou. Kromě kyslíku a dusíku obsahuje heterosféra vetší množství lehkých plynů zejména helia a vodíku. Molekuly kyslíku O₂ jsou ultrafialovým slunečním zářením rozkládány na atomární kyslík O. Ve výšce kolem 130 km jsou dvě třetiny kyslíku v atomární formě.

Heterosféra se do značné míry prostorově překrývá s ionosférou - částí atmosfér ve výškách od 60 km - 500 km s elektricky vodivými vrstvami o vysoké koncetraci iontů a volných elektronů. Tyto vrstvy mají schopnost odrážet rádiové vlny - to je podstatná vlastnost ionosféry.