El origen del rayo y los relámpagos son las cargas eléctricas que se acumulan en la superficie y el interior de las nubes. Cuando la cantidad de carga acumulada en la superficie es suficientemente grande (se darán más detalles sobre ésto más adelante) se produce una descarga de la misma hacia otra nube (relámpago) o hacia tierra (rayo). El fenómeno es similar al que se produce en los generadores electrostáticos, un frotamiento que arranca electrones de algunas partículas de agua o hielo y los acumula en otras. La acumulación se produce cuando hay un fenómeno sostenido de rozamiento y acumulación, usualmente generado por persistentes corrientes ascendentes de aire en el interior de nubes de tormenta. También se producen relámpagos en el interior de la nube de polvo emitido por una erupción volcánica, donde la separación de cargas se genera por el rozamiento de las partículas sólidas.

Para que se produzcan rayos y relámpagos se requiere la presencia simultánea de gran cantidad de los dos tipos de cargas eléctricas, positivas (iones con defecto de electrones) y negativas (iones con exceso de electrones). Las fuerzas que se generan sobre las partículas que están en el medio de ambas son enormes y si ya tienen alguna carga, son arrastradas con gran velocidad hacia la región con carga de signo opuesto a la propia; es decir, se genera una corriente eléctrica. El aire seco tiene pocos iones, pero el húmedo (como el que hay en las tormentas) tiene mayor cantidad. Sin embargo, la causa principal de las corrientes es la ionización del aire (fenómeno conocido como ruptura dieléctrica) por acción de los campos eléctricos generados por las nubes, tema que se discute a continuaciónenseguida. Un ejemplo de ruptura dieléctrica es la que se produce en los condensadores (componentes basados en materiales aisladores de la electricidad) de un dispositivo electrónico al que se le aplica un voltaje muy superior al de funcionamiento normal.

Campo Para que el aire se ionice hay que ejercer una fuerza eléctrica muy grande sobre sus moléculas (predominantemente oxígeno y nitrógeno). Para esto se requiere un altísimo campo eléctrico , correspondiente a una variación de 3.000.000 de volts por cada metro de distancia entre la tierra y la nube cargada. El valor puede variar según la presión atmosférica y la presencia de humedad u otros contaminantes. Estos elevados campos eléctricos pueden ser fácilmente detectados por instrumentos apropiados, lo que permite saber cuando están alcanzando valores cercanos al de ruptura dieléctrica del aire. Los campos eléctricos así generados no son uniformes, son menos intensos en las superficies planas de terreno y más intensos en las elevaciones del terreno. El aumento es máximo cuando la elevación es de un material muy puntiagudo y buen conductor de la electricidad, un metal (caso de atractores como los pararrayos). El agua con sales de cualquier tipo es un buen conductor eléctrico, como puede verificarse con un sencillo experimento casero usando una pila de 9 V con dos cables conectados en sus electrodos y un led conectado por el terminal apropiado al extremo de uno de ellos. Si se sumergen los cables en un vaso de agua pura, el led no se enciende; pero a desarrollarmedida que se agrega sal al agua, comienza a brillar cada vez más intensamente. El resultado es que los materiales que son aisladores cuando secos, pueden volverse conductores cuando están húmedos. Esto incluya tanto al terreno (tierra, arena, pastizal…) como a la madera. A estas propiedades hay que sumar el hecho de que las corrientes eléctricas están siempre formadas por cargas en movimiento de un sólo signo, porque si no se cancelarían mutuamente. Estas cargas tienden a repelerse entre sí, manteniéndose lo más alejadas posibles. Por esta razón cuando circulan cargas no compensadas a través de un metal lo hacen a través de su superficie, no de su interior (efecto caja de Faraday). Estas propiedades son la base de las recomendaciones que se hacen al final del artículo.