오존층( Ozone layer )은 많은 양의 오존이 존재하고 온도분포가 거의 오존의 복사성질에 의해 결정되며, 약 10~50㎞ 고도에 위치하는 상부 대기층을 말한다. 이 층은 생명체에게 해로울 수 있는 단파 자외선을 97~99% 흡수한다. 지구 대기의 오존 가운데 90% 이상이 여기에 있다. 상대적으로 높다는 것은 수 ppm으로 더 낮은 대기 내의 함량보다 훨씬 높다는 뜻이다. 오존층은 프랑스 물리학자 찰스 패브리와 헨리 뷔슨에 의해 1953년 발견되었다. 영국 기상학자 G.M.B.답슨이 자세히 관측하였다. 답슨은 땅에서 성층권 오존을 측정하기 위해 사용될 수 있는 단순한 분광 광도계(Spectrophotometer)를 개발하였다. 답슨은 1928년부터 1958년까지 오늘날까지 이어져온 세계적인 오존 관찰 체계를 구성하였다.

대기권은 지구 표면에서 약 120 km 정도이다. 이중 대류권 상층부로부터 약 50km 고도까지는 기온이 계속 상승하여 약 50km 고도에서 0℃의 기온을 나타내는 안정한 대기층으로, 주로 분자에 의해 기체의 이동이 이루어지는 성층권의 약 20∼30 km 부근에는 오존(O3)의 농도가 특히 높은 곳이 있다. 이곳을 오존층이라 하는데 지구로서는 매우 귀한 존재이다.
물론 대류권에도 오존이 존재한다. 그러나 그 농도가 오존층에 비해 매우 낮다. 대류권에서는 오존의 농도가 높은 것은 반가운 현상이 아니다. 우리나라도 년간 몇 회 이상 오존 경보가 내려지는 것을 볼 수 있다.
지표면 오존은 인간의 건강에 해로운 물질이다. 그러나 성층권 내에 존재하는 오존은 태양으로부터 방출되는 자외선을 흡수하므로 지구의 생명체를 자외선의 피부로부터 보호해 준다. 따라서 이 오존층이란 보호막이 걷히면 "지구의 생물은 마치 철판구이 위에 올라 있는 바닷가재의 신세"인 것이다.
오존층이 파괴되면 태양으로부터 지구에 도달하는 UV-B(280∼320nm)는 인체의 피부와 눈에 해로우며 또한 면역체와 비타민 D의 합성에 악영향을 끼친다. 이 밖에도 UV-B가 증가할 경우 해양계에서 먹이 사슬의 중요한 역할을 맡고 있는 플랑크톤의 체질을 변화시켜 생산량 감소에 따른 먹이 사슬이 파괴되어 생태계에 큰 악영향을 미친다.

오존을 발생시키는 광화학 메커니즘은 1930년 영국 물리학자 시드니 채프먼에의해 밝혀졌다. 지구의 성층권 내이 오존은 UV 광에의한 산소분자의 분리에 의해 생성된다.

원자 산소는 그후 부서지지 않은 산소분자와 결합하여 오존을 발생시킨다. 오존 분자역시 불안하다 그러나 성층권에서는 수명이 길다. 그리고 UV 광이 오존과 부딪히면 그것은 닷 산소 분자와 산소 원자로 나뉘며 오존 산소 싸이클이라는 과정을 계속하며 성층권내에 지표로부터 약 10km에서 50km까지의 영역에 오존층을 만든다.

우리 대기내의 오존의 약 90%가 성층권에 들어 있다. 오존 농도는 15~40km 사이에 최대인데 그곳에서 그들은 2~8ppm이다. 만약 오존의 모두가 해수면 공기압력으로 압축되면 수mm 두께에 지나지 않는다.

대기중의 오존의 10%는 대류권에 포함되어있는데 그곳에서 우리 기상의 모두가 발생한다. 대류권 오존은 두가지 근원이 있다. 약 19%는 성층권에서 내려온 것인 반면 나머지는 다른 메커니즘으로 더 적은 비율로 발생된것이다.