大气逆温层是指出现逆温现象的气体层。通常对流层内气温随高度递减，但在空气下沉、辐射冷却、热气流流向地面、近地层扰动等因素影响下，高层气温会高于低层气温，形成逆温现象。其类型包括辐射逆温、下沉逆温、湍流逆温、平流逆温和锋面逆温。

通常大气对流层内的气温是随高度呈递减速关系。但是在某些特殊条件下，如在空气下沉、辐射冷却、空中热气流流向地面、近地层扰动等因素的影响下，高层气温反而高于低层气温，这种现象称为逆温。逆温的类型有辐射逆温、下沉逆温、湍流逆温、平流逆温和锋面逆温。出现逆温现象的一层气体，称为逆温层。

在逆温层内，空气密度随高度增加而迅速减小。逆温层的物理特征是气体状态稳定，对气体上下对流过程有抑制作用。对流层内的逆温层高度通常在100-200米上下。

由于逆温层对空气对流有强烈的抑制作用，所以极其不利于大气污染物的扩散。由于大量气溶胶粒子和水汽积聚在逆温层下面，因此近地面层极易形成烟雾。