El conjunto que forman la Tierra y la atmósfera (ambos «conductores») funciona como un gran condensador en el que el aire juega un papel de aislante. La Tierra es el polo negativo y la atmósfera (la ionosfera, el «territorio» donde se forman las auroras polares) es el polo positivo. Sin embargo, este condensador se descargaría rápidamente si no hubiera continuas tormentas por todo el planeta que restablecieran el equilibrio eléctrico.

Las nubes de tormenta están generadas por potentes corrientes ascendentes de aire. Mientras se produce la elevación, los continuos choques entre las partículas que forman el cumulonimbo (gotas de agua, cristales de hielo…) y el rápido proceso de enfriamiento y congelación al que están sometidas, dan lugar a la aparición de cargas eléctricas positivas y negativas en la nube. Las positivas, más ligeras, tienden a concentrarse en las partes superiores, y las negativas, más pesadas, en las zonas inferiores.

Al pie de la formación nubosa, junto al suelo, hay un efecto «llamada» que acumula cargas positivas en aquellos lugares que están más en resalte (cimas, árboles, torres de iglesia…) y que serán más proclives a recibir cualquier descarga. Cuando estas se producen, lo normal es que transporten cargas negativas desde la nube hasta el suelo. Aunque también pueden llegar, en menor proporción, descargas de signo positivo (directamente desde lo alto de la nube o incluso desde pequeños «paquetes» de cargas positivas que permanecían aislados en su base), que son las más peligrosas.

Además de los rayos nube-tierra (positivos y negativos), también se pueden producir rayos de tipo tierra-nube (descargas ascendentes), igualmente de tipo positivo y negativo, surgidos de las zonas en resalte como cumbres, árboles, construcciones…; rayos intranube (los más frecuentes), que buscan el equilibrio eléctrico en el interior de una misma nube; rayos internube, que reorganizan regiones de carga eléctrica opuesta entre dos cumulonimbos que se encuentren más o menos cercanos; e, incluso, rayos que se escapan de una nube buscando el aire claro.