O fenômeno é causado por uma descarga elétrica entre duas nuvens (o que é mais comum) ou entre uma nuvem e o solo. Essas nuvens são normalmente do tipo cúmulo-nimbo - verticalmente mais extensas, com a face inferior lisa. Elas se formam a cerca de 2 quilômetros de altura do solo e se estendem por até 18 quilômetros acima. O choque entre as partículas de gelo dentro da nuvem causa uma separação de cargas elétricas positivas e negativas. Quando a diferença de cargas é muito grande, uma carga elétrica, geralmente negativa, chamada condutor, fraca e invisível, deixa a nuvem e ziguezagueia para baixo, entre 30 e 50 metros de altitude. Devido à intensidade do campo elétrico formado, as cargas positivas do solo mais próximas do raio condutor, chamadas de conectantes, saltam até encontrá-lo, fechando assim o circuito elétrico entre a nuvem e o solo. Só quando as duas correntes se encontram é que tudo se ilumina e o raio pode ser observado.Em outro tipo de raio, chamado de positivo, a posição das cargas é invertida, ocorrendo uma descarga negativa do solo e outra positiva da nuvem. Nos raios positivos, a descarga se origina da parte alta da nuvem, enquanto nos negativos sua origem é no lado inferior. "A maioria dos relâmpagos que atingem o chão é oriunda das nuvens. Menos de 1% se origina no solo e sobe para a nuvem. Para a formação dos dois tipos concorrem descargas tanto do solo quanto da nuvem, mas a mais comum é de cima para baixo", diz o geofísico espacial Osmar Pinto Junior.
