同溫層(stratosphere)，又稱平流層，是地球大氣層裡上熱下冷的一層。此層被分成不同的溫度層，當中高溫層置於頂部，而低溫層置於低部(高壓環境下受重，氧原子聚合放熱)。它與位於其下貼近地表的對流層剛好相反，對流層是上冷下熱的。在中緯度地區，同溫層位於離地表10公里至50公里的高度，而在極地，此層則始於離地表8公里左右(低壓失重環境下，氧原子擴散吸熱)。

　大氣平流層下部的舊稱（現仍偶有如此稱呼）。範圍從對流層頂到30—35㎞高度。

　　古代，人們從生活經驗中知道“高處不勝寒”，直至近代科學發展後人們仍認為這種溫度隨高度升高而降低的情況是適用於整個大氣層的。氣球、飛機的發明一時也沒能改變這一認識。因為早期的飛行器（尤其是載人飛行器）飛行高度沒有超出“對流層”。

　　20世紀中前期，無線電探空儀的發明，探空氣球的使用，使人們開始認識到在十幾千米以上的高空中氣溫不再隨高度升高而降低，而是基本不變，故命名為“同溫層”。

　　隨著科學的進一步發展，人們認識到同溫層只是平流層的一部分，在整個平流層中氣溫是隨高度升高而升高的，只是下層升高不明顯。同溫層這一名詞逐漸減少了使用，幾乎銷聲匿跡。