下地幔，厚度为660～ 2890千米。认为下地幔的成分比较均一。但因处于极端高温和高压环境，地幔岩石呈现为塑性状态。

曾称硫氧化物圈(sulpho oxidized sphere)。地幔的一部分，即D层(670～2885千米)，物质成分主要为硅酸盐，此外还有金属氧化物与硫化物，特别是铁、镍显著增加，主要为镁方铁矿，具石盐结构，硅酸盐，具钙钛矿结构，它们是下地幔的主要矿物相。平均密度5.7克/厘米3，压力约135 吉帕，温度约1850～4400℃，物质状态属固态。化学作用向深处逐渐减弱，以致很难进行，放射性物质含量很低。

地球下地幔位于660～ 2 890 km 深度， 厚度达2230 km。过去一般认为下地幔的物质横向变化较小，是一个相当均匀的物质层。

新一代的地震层析成像揭示出下地幔并不像以前想象的那样均匀，它的下部特别是靠近核幔边界的底层，是一个极其不均匀的物质层，其横向变化及各向异性的程度甚至超过了地球表层的岩石圈。

在下地幔中部(1 350 km ) 显示了高速异常分布在地中海—喜马拉雅—印度尼西亚一带，以及北美洲的中、东部至中美洲加勒比海一带。它们与古生代以来海洋岩石圈板块向下地幔俯冲的的位置十分一致。Caro lina 等根据热点的历史轨迹(海底火山链及海山分布走向)，可以追溯120M a 以来的板块俯冲史。岩石圈主要沿环太平洋及特提斯带俯冲到下地幔的底部，因而可以计算出它们在不同时期到达不同深度的位置。

在下地幔2750 km 深处太平洋西缘至东亚有大片高速异常分布。这一成片的高速异常，推测是古海洋板片在过去1～ 2 亿年俯冲到下地幔， 在核幔边界积聚成毯状的岩石圈残留物。在这一深度北美洲及中美洲也分布有片状高速异常区，但其规模较小，推测也是古海洋板片俯冲到下地幔底部形成的残留岩石圈。

在太平洋中南部的社会群岛还发现一个从地表一直通到下地幔2 500 km 深处的低速异常。

位于核幔边界之上的下地幔D″层，是20 世纪70 年代提出并于80 年代得到证实，由于D″层在地球动力学上有重大意义，因而一直是地震学研究的热点。不过， 由于它的复杂性且捉摸不定，不同研究者得到的结果往往大相径庭，使我们仍难窥其全貌。

首先是其厚度不确定，可以在100～ 450 km 之间变化，平均厚度约250～ 265 km，利用D″中的散射波， 可以发现该层中S 波速度变化可达±5%， 而P 波速度变化为±2. 5%。此外，D″层的顶部速度随深度增大， 而在其下部速度随深度减小。D″层在地理位置上的分布也是变化莫测的，在沿CMB 追踪时，它时隐时现， 它可能在十分短的距离(10～ 100km ) 中断， 也可能连续长距离出现(1 000 km )。在阿拉斯加及加勒比地区能得到很好的D″层的观测结果，那里是中生代岩石圈板块的俯冲带。

探测地幔的最有力的工具是监测来自世界各地的地震波。地震时会产生两种不同的地震波：P波（纵波）和S波（横波）。这两种波都是穿越地球内部的体波，它们分别对应于地震波通过岩石时产生的物理特性，纵波与声波相似，就是传播方向与波动方向在同一水平线上，速度比横波快。横波与抖动的绳子产生的波形相似，即横波通过时岩石的震动方向与波的传播方向垂直。像光波一样，当穿越不同密度的岩石边界时，地震波也会发生反射和折射。利用这些特性，我们就可以对地球内部成像。

2007年3月，科学家利用近地表石油和天然气勘探的成像技术，绘制出了地球深部核幔边界构造的高解析度三维图像。这次绘图使用了世界各地1000多个地震台站记录的数千次地震的数据。这些数据使科学家能够分辨有关核幔边界构造的细节，这些构造反映出复杂的下地幔结构，这是先前从未见过的，也是第一次估计出核幔边界附近的温度大约为3700℃。

2015年12月2日，美国、英国、中国等12个国家的30名科学家登上美国“决心”号钻探船，准备在西南印度洋开展打穿地球壳幔边界的第一次大洋钻探。