Dans la troposphère, la température de l'air diminue avec l'altitude, d'environ 6,5 °C par kilomètre (voir les articles Variation de la pression et de la température atmosphériques avec l'altitude et Gradient thermique adiabatique).
Une couche d'inversion est une couche d'air dont le gradient est positif, c'est-à-dire dont la température croît avec l'altitude.
L'épaisseur d'une couche d'inversion peut aller de quelques centaines de mètres à 1 500 m.
En altitude, on a fréquemment une couche d'inversion lorsqu'une masse d'air chaud passe au-dessus d'une masse d'air froid.
On peut aussi avoir un réchauffement du sommet d'une montagne par le Soleil, qui échauffe la couche d'air. On peut également avoir un refroidissement des couches basses ; par exemple, le jour, le Soleil éclaire une couche de glace ou de neige qui réféchit la lumière, la couche d'air proche du sol reçoit donc deux fois le rayonnement et s'échauffe vite, alors que la nuit, elle se refroidit très vite au contact de la glace.
Dans un anticyclone, on a des mouvements d'air descendant. L'air descendant se réchauffe (compression adiabatique), et cet air chaud chapeaute une couche d'air froid ; on parle dans ce cas d'inversion de subsidence.
La couche d'inversion est un véritable « couvercle » : l'air monte jusqu'à la couche d'inversion, mais ne peut pas la franchir. On a un profil typique de nuage ou de brume sèche (accumulation de poussières) qui forment un tapis en hauteur ; on voit souvent une fumée de cheminée s'étaler à la base de la couche d'inversion, ou bien la brume s'élevant d'un sol humide stagner.
La couche d'inversion retient également les polluants, aggravant les problèmes de pollution atmosphérique.