平流层的温度范围通常在-55℃至-3℃之间，具体数值随高度变化。其中底部同温层维持在-55℃左右，顶部逆温层可升至-3℃甚至更高，与地面气温相近。

这一温度分布特征的形成机制可从大气分层结构和太阳辐射吸收两方面解析。平流层位于对流层顶至约55公里高度，其垂直温度梯度与对流层截然相反，呈现"上热下冷"的逆温特性。底层同温区（35-40公里）因远离地表热源且臭氧浓度较低，温度稳定在-55℃；而20-25公里高度形成的臭氧层通过吸收太阳紫外线（200-300nm波段），将辐射能转化为分子动能，导致上层温度以每公里约2℃的速率递增。在50公里附近的平流层顶，温度可达270-290K（-3℃至16.85℃），与地表温度相当。这种逆温结构使得平流层大气垂直运动微弱，主要表现为水平环流，成为超音速飞机理想飞行空域。值得注意的是，极地地区平流层底界高度较低，冬季可能发生突发性增温现象，如2024年7月南极平流层曾出现单日升温17℃的极端记录。温度分布的纬度差异主要源于臭氧层厚度变化和极地涡旋强度的季节性波动。从环境效应看，稳定的温度分层导致污染物滞留时间可达数年，火山灰等气溶胶的长期存在会通过散射太阳辐射影响全球气候。现代气象观测技术（如探空气球、卫星遥感）已证实，平流层温度场变化对对流层天气系统具有指示意义，其环流调整可作为中长期天气预报的参考依据。