Para que surjam raios, é necessário que, além das gotas de chuva, as nuvens de tempestade tenham em seu interior três ingredientes: cristais de gelo, água quase congelada e granizo. Tais elementos se formam na faixa entre 2 e 10 quilômetros de altitude, onde a temperatura fica entre 0 ºC e -50 ºC. Com o ar revolto no interior da nuvem, esses elementos são lançados pra lá e pra cá, chocando-se uns contra os outros. Com isso, acabam trocando de carga entre si: alguns vão ficando cada vez mais positivos, e outros, mais negativos. Os mais pesados, como o granizo e as gotas de chuva, tendem a ficar negativos.

Por causa da gravidade, o granizo e as gotas de chuva se acumulam na parte de baixo, que vai concentrando carga negativa. Mais leves, os cristais de gelo e a água quase congelada são levados por correntes de ar para cima, deixando o topo mais positivo. Começa a se formar um campo elétrico, como se a nuvem fosse uma grande pilha. Essa dupla polaridade da nuvem é reforçada ainda por dois fenômenos físicos externos a ela. Acima, na região da ionosfera, os raios solares interagem com moléculas de ar, formando mais íons negativos. No solo, por outro lado, diversos fatores contribuem para que a superfície fique eletricamente positiva. Essa polarização da nuvem cria um campo elétrico descomunal: se as redes de alta tensão têm cerca de 10 mil W (watts) de potência, no céu nublado a coisa chega a 1 000 GW (gigawatts)! Tamanha tensão começa a ionizar o ar em volta da nuvem – ou seja, ele passa de gás para plasma, o chamado quarto estado da matéria.

Começa então a se formar um caminho de plasma em direção ao solo. Por ter elétrons livres, o plasma é um bom condutor de eletricidade. Com isso, acaba fazendo a ponte até a superfície para que a tensão da nuvem possa ser descarregada. Enquanto o tronco principal desce rumo ao solo, surgem novos ramos tentando abrir passagem. Quando um tronco principal está próximo do solo, começa a surgir uma massa de plasma na superfície. Essa massa vai subir até se conectar com o veio que desce e, então, fechar o circuito. É por isso que, se alguém estiver perto de onde o fenômeno está rolando, vai perceber os pelos do corpo se eriçando. Quando o caminho se fecha, rola uma troca de cargas entre a superfície e a nuvem e - zap! - temos o relâmpago! A espetacular faísca é fruto do aquecimento do ar, enquanto o ribombar do trovão vem da rápida expansão da camada de ar. Desde o surgimento do tronco de plasma até rolar o corisco, se passa apenas cerca de 0,1 segundo.