Dans le cumulonimbus les cristaux de glaces et les gouttelettes d'eau sont bousculés par l'air vertical très intense. Ces éléments se heurtent et entraînent une séparation des charges. Les particules plus petites qui sont de charges positives, remontent vers le sommet du nuage alors que les noyaux plus lourds et de charges négatives descendent. Le sol est alors chargé négativement par les gouttelettes d'eau et billes de glaces. Le nuage est peu à peu chargé d'énergie. Quand l'accumulation d'énergie devient trop important et surtout lorsqu'il y a opposition directe entre ces charges, une décharge électrique, l'éclair, se produit.

Cette décharge principale du nuage vers le sol ou un autre nuage crée un chenal ionisé (sous l'effet des charges électriques, la masse d'air devient légèrement conductrice) invisible appelé traceur par bonds ou amorce échelonnée. Elle se ramifie avant de toucher la terre ou l'autre nuage au bout de 1/100 de seconde en se déplaçant à environ 200 km/s.

Puis par des bonds successifs, l'éclair pilote, sorte de noyau rempli d'électrons, va vers le sol ou l'autre nuage de charges positives en parcourant la plus forte intensité de charge. A la fin des derniers décamètres du parcours, une décharge partant d'un point du sol ou du nuage (autre noyau similaire) de charges positives va à sa rencontre. Quand la liaison entre les deux noyaux a lieu, il se produit la décharge principale (visible), un courant allant du sol ou de la source positive vers le nuage de charges négatives.

Cette charge positive se propage extrêmement vite. La chaleur dégagée, 30.000°C soit 5 fois la température du Soleil et pouvant atteindre 100 millions de volts, excite les molécules de l'air qui émettent de la lumière en libérant cette énergie en surplus. Il peut y avoir plusieurs décharges de retour dans un éclair, en moyenne 3 ou 4, avec 40 et 80 millisecondes entre chaque décharge.

Les éclairs peuvent faire de 100 m à au moins 20 km dans le cas de l'éclair sinueux pour une épaisseur de seulement 3 cm environ. Ils peuvent se propager à une vitesse de 40.000 km/s.

Les éclairs peuvent être causés aussi par le frottement des particules qu'on retrouve dans les nuages de cendres lors des éruptions volcaniques. Ils peuvent être créés aussi lors de chute de neige importantes pour la même raison mais ceci est assez rare.

La foudre en boule est une sphère lumineuse d'un diamètre d'environs 20 à 40 cm qui apparaît lors d'orages et qui disparaît, soit calmement, soit violemment. Des témoignages on même dit qu'elle serait entrée dans les maisons, ou les avions pendant quelques secondes. La foudre en boule est d'une couleur allant du jaune à l'orange voir du vert au bleu et d'une température qui pourrait atteindre les 10.000°K d'après les rapports des brûlures causées par la foudre en boule. Il a été observé des boules de couleurs variées : elles correspondraient à des compositions chimiques et des températures de combustion différentes.