Η φωτόσφαιρα είναι το ορατό στρώμα ενός άστρου, το οποίο αναφέρεται συχνότερα σε συζητήσεις για τον Ήλιο. Αν και ο Ήλιος μπορεί να φαίνεται να έχει ένα συμπαγές εξωτερικό στρώμα, όπως ακριβώς και η Γη, στην πραγματικότητα αποτελείται από εξαιρετικά θερμά αέρια και δεν έχει στερεή επιφάνεια. Η φωτόσφαιρα σηματοδοτεί το όριο όπου το φως μπορεί να διεισδύσει στα αέρια, επιτρέποντάς του να γίνει λιγότερο αδιαφανές και, επομένως, ορατό. Αυτό που βλέπει ένας άνθρωπος όταν κοιτάζει τον Ήλιο είναι η φωτόσφαιρα.
Η πυκνότητα του ατμοσφαιρικού στρώματος δεν είναι σταθερή σε όλα τα μέρη ανά πάσα στιγμή, αλλά τείνει να είναι περίπου 248.5-310.6 μίλια (400-500 km) πάχος. Η θερμοκρασία κυμαίνεται μεταξύ 5,000 και 6,000 βαθμών Κέλβιν, ή περίπου 8,540-10,340 βαθμών Φαρενάιτ. Είναι το χαμηλότερο στρώμα της ατμόσφαιρας του Ήλιου, που βρίσκεται κάτω από την πολύ παχύτερη χρωμόσφαιρα και το τεράστιο στέμμα. Κάτω από τη φωτόσφαιρα βρίσκονται οι ζώνες μεταφοράς και ακτινοβολίας του Ήλιου, και κάτω από αυτό, ο ισχυρός πυρήνας.
Όταν κοιτάτε τη φωτόσφαιρα από μακριά, μπορεί να φαίνεται ότι είναι ένας απλός κίτρινος ή πορτοκαλί δίσκος με μερικές σκούρες κηλίδες, γνωστές ως ηλιακές κηλίδες. Από κοντά, ωστόσο, η φωτόσφαιρα έχει μια ανάγλυφη εμφάνιση που συχνά αναφέρεται ως κοκκώδης. Αν και δεν είναι απαραιτήτως όμορφο να το βλέπει κανείς, η φυσαλίδα υφή της φωτόσφαιρας είναι απόδειξη του πώς ακριβώς λειτουργεί ο ήλιος: οι φυσαλίδες και τα πόμολα είναι σημάδια της διαδικασίας της μεταφοράς. Η μεταφορά στον ήλιο λειτουργεί ουσιαστικά με τον ίδιο τρόπο που λειτουργεί μια κατσαρόλα με νερό που βράζει. Τα θερμαινόμενα φωτόνια ανεβαίνουν στην επιφάνεια ενώ τα ψυχρότερα βυθίζονται, εκτός από μια επιφάνεια που αναβλύζει σε μια κατσαρόλα με βραστό νερό, η μεταφορά του ήλιου παράγει την κοκκοποίηση στη φωτόσφαιρα.
Οι ηλιακές κηλίδες, οι σκοτεινές κηλίδες που εμφανίζονται συχνά στις φωτογραφίες του ήλιου, είναι κομμάτια της ατμόσφαιρας όπου είναι αισθητά πιο δροσερό, μερικές φορές περισσότερο από 1,000 Kelvin (1340 F). Οι ηλιακές κηλίδες δεν είναι σταθερά χαρακτηριστικά και τείνουν να ανεβαίνουν και να εξαφανίζονται μέσα σε λίγες εβδομάδες. Παρά τις σχετικά ψυχρές θερμοκρασίες τους, αυτά τα σημεία έχουν αποδειχθεί ότι είναι εξαιρετικά ισχυρές μαγνητικές δυνάμεις. Αν και συχνά φαίνονται μικροσκοπικές, οι ηλιακές κηλίδες στη φωτόσφαιρα έχουν συχνά διάμετρο δεκάδων χιλιάδων μιλίων.
Είναι ενδιαφέρον ότι η παρατήρηση της φωτόσφαιρας οδήγησε στην ανακάλυψη ενός από τα πιο άφθονα στοιχεία στο σύμπαν: το ήλιο. Αν και αποδίδονται εύσημα στον Άγγλο επιστήμονα Norman Lockyer και στον Γάλλο αστρονόμο Pierre Jansen, και οι δύο παρατήρησαν περίεργες κίτρινες φασματικές γραμμές γύρω από τον ήλιο που δεν μπορούσαν να αναπαραχθούν με γνωστά στοιχεία. Η επιβεβαίωση του ηλίου στη Γη δεν συνέβη παρά περισσότερο από είκοσι χρόνια αργότερα, καθιστώντας το το μοναδικό στοιχείο που ανακαλύφθηκε εξωγήινο πριν εντοπιστεί στη Γη.