Voraussetzung für die Bildung von Gewitterwolken ist, dass feuchte, warme Luftmassen in große Höhen transportiert werden. Warme Luft ist leichter als kalte Luft. Mit zunehmender Höhe sinken Temperatur und Druck ab.

In einer "stabilen Luftschicht" herrscht eine Temperaturabnahme von weniger als 1° C pro 100 m Höhenzunahme - in einer so genannten "labilen Luftschicht" nimmt die Temperatur um mehr als 1° C pro 100 m ab. Durch die Druckabnahme expandiert die feuchte Luft und diese Expansion hat eine Abkühlung zur Folge. Damit das "Paket" warmer Luft immer weiter nach oben steigt, muss es immer leichter (d.h. wärmer) bleiben als die Umgebung. Das bedeutet, die Temperatur der Umgebung muss mit der Höhe rascher abnehmen, als die Temperatur der feuchten Luft durch Expansion absinkt. Durch das Auskondensieren der Feuchtigkeit (Quellwolkenbildung) wird Wärme freigesetzt, weshalb die aufsteigende Luftmasse langsamer abkühlt.

Nur bei Vorhandensein dieses "labilen" Zustandes der Atmosphäre kommt es zur Gewitterbildung.

Die genauen Vorgänge, die zur elektrischen Aufladung einer Gewitterwolke führen, sind bis heute nicht vollständig geklärt. In der Fachliteratur ist eine Vielzahl von Hypothesen zu diesem Thema zu finden. Grundsätzlich ist zwischen einer "mikroskopischen Ladungstrennung" und einer "makroskopischen Ladungstrennung" zu unterscheiden.

1. Die mikroskopische Ladungstrennung

   Die Erzeugung von elektrisch positiv oder negativ geladenen Partikeln in der Wolke dürfte primär durch den Zusammenstoß von Eiskörnern (Graupel) und Wassertropfen erfolgen. Innerhalb der Gewitterwolke herrschen Aufwinde mit Geschwindigkeiten von über 100 km/h. Die leichten, kleinen Wassertröpfchen werden von den Aufwinden nach oben getragen, während die schweren Eiskristalle oder Graupel aus den Zonen mit Temperaturen von -30° C bis -50° C nach unten fallen und mit den Wassertröpfchen zusammenstoßen.

2. Die makroskopische Ladungstrennung

   Wieso letztendlich der Großteil der positiv geladen Wassertröpfchen im oberen Bereich (8-12 km) der Gewitterwolke landet und die negativ geladenen Partikel im unteren Bereich (3-6 km Höhe) ist eine nicht gänzlich geklärte Frage. In den einzelnen Hypothesen spielen Gravitation, Erdmagnetfeld, Feuchtigkeitsgehalt, Temperatur, Teilchengröße, Teilchenladung und -gewicht, etc. eine mehr oder weniger wichtige Rolle.

Beim Aufbau einer Gewitterwolke wird mehr und mehr elektrische Ladung in der Wolke angesammelt. Daraus resultierend tritt eine elektrische Feldstärke auf, ähnlich der Feldstärke zwischen den positiv und negativ geladenen Elektroden eines Kondensators. Unter einer Gewitterwolke wird am Boden eine Feldstärke zwischen 5 kV/m und 10 kV/m gemessen.

Übersteigt die Feldstärke in der Wolke lokal die sogenannte "Durchbruchsfestigkeit" der Luft, kommt es in Form eines großen elektrischen Funkens, dem Blitz, zum Ladungsausgleich zwischen den einzelnen Ladungszentren innerhalb der Wolke (Wolke-Wolke Blitze) oder der Wolke und der Erde (Wolke-Erde Blitz). Die genauen Vorgänge, die zur Auslösung einer Blitzentladung in der Gewitterwolke führen, sind aber bis heute ein ungelöstes Rätsel der Blitzforschung.

Heiße Luft beansprucht mehr Volumen als kalte Luft. Der Strom im Blitzkanal heizt den Kanal schlagartig auf ca. 30.000° C auf und es entsteht ein entsprechender Überdruck. Dieser Überdruck baut sich gegenüber dem Umgebungsdruck ab und breitet sich als Druckwelle zylinderförmig in alle Richtungen rund um den Kanal aus. Aufgrund der Schallgeschwindigkeit von 330 m/s dauert es mehrere Sekunden bis die Druckwelle bei einem Beobachter ankommt.

Das langgezogene Donnergrollen entsteht durch das zeitlich verzögerte Eintreffen der Druckwelle von verschiedenen Teilen des Blitzkanals. Schlägt der Blitz z.B. in einer Entfernung von 1 km vom Beobachter ein, trifft die erste Druckwelle des bodennahen Teiles des Blitzkanals nach ca. 3 Sekunden am Standort ein. Hingegen braucht die Druckwelle, die von einem Kanalsegment in 3 km Höhe ausgeht, schon fast 10 Sekunden bis zum Beobachter.