Vo výške 15 až 50 km sa nachádza vrstva atmosféry so zvýšeným obsahom ozónu, pričom jeho koncentrácia je najvyššia v rozpätí 20 až 25 km nad Zemou. Táto vrstva sa nazýva ozónová vrstva (ozónosféra). Koncentrácia ozónu v ozónovej vrstve sa mení nielen s výškou, ale aj so zemepisnou šírkou a ročným obdobím. Ozón v atmosfére vzniká pôsobením ultrafialového žiarenia alebo elektrického výboja na kyslík.
Ozón vzniká v atmosfére fotochemickou cestou. Účinkom žiarenia sa molekula kyslíka rozkladá na dva atómy a následne atóm kyslíka reaguje s molekulovým kyslíkom za vzniku ozónu.

Ozónová vrstva sa udržuje ako výsledok rovnováhy medzi produkciou ozónu a jeho stratami. Pre živé organizmy na Zemi má stratosférický ozón veľký význam, pretože má výnimočnú schopnosť účinne pohlcovať nebezpečné UV žiarenie, zatiaľ čo viditeľné svetlo prepúšťa na zemský povrch.
Strata atómového kyslíka a ozónu v atmosfére môže byť katalyzovaná prítomnosťou niektorých zlúčenín dusíka a halogénov (NO_X, Cl*, ClO*, BrO*). Vplyvom týchto látok môže dôjsť k narušeniu rovnováhy medzi vznikom a rozkladom ozónu. Narušenie rovnováhy vedie k zníženiu koncentrácie ozónu v stratosfére a tento jav sa nazýva „ozónová diera“.