Powietrze w górnych warstwach atmosfery jest o wiele zimniejsze niż przy powierzchni Ziemi. Ciepłe powietrze jest lżejsze od zimnego, więc unosi się do góry. W trakcie wznoszenia powietrze się rozpręża i ochładza się. Wznoszące się powietrze w trakcie rozprężania staje się chłodniejsze od otoczenia, a więc cięższe i opada na dół. Inaczej przebiega ten proces, gdy wznoszące się powietrze zawiera dużo pary wodnej. W miarę ochładzania się powietrza, zawarta w nim para wodna kondensuje się, czyli skrapla. Podczas skraplania wydziela się dużo ciepła (tyle samo, ile należało dostarczyć,  aby woda wyparowała). Uwalniające się ciepło powoduje, że powietrze wilgotne stygnie wolniej i jest stale cieplejsze, a więc lżejsze od otoczenia.  Ten mechanizm powoduje, że w obszarze burzy powietrze bardzo gwałtownie wznosi się do góry i osiąga wysokość powyżej 15 km. Na tej wysokości temperatura jest bardzo niska i wynosi około -60°C, więc skondensowane kropelki wody zamieniają się w lód, stopniowo łącząc się z sobą i tworząc coraz większe kryształy. Gdy cząsteczki lodu stają się zbyt wielkie, zaczynają spadać, pociągając za sobą w dół zimne powietrze. W trakcie opadania cząsteczki lodu topnieją i z chmury zaczyna padać deszcz. Ponadto stosunkowo chłodne powietrze, gdy tylko dotrze do powierzchni Ziemi, zaczyna rozchodzić się na boki. Dlatego zwykle przed burzą wieje chłodny wiatr. Piorun w pewnym sensie przypomina olbrzymią iskrę elektryczną. Zwykła iskra powstaje przykładowo, kiedy po przejściu paru kroków po dywanie chwytamy za klamkę. Buty trąc o dywan, zbierają zeń elektrony. Zgromadzony na ciele ładunek elektryczny jest źródłem pola elektrycznego,  co sprawia, że między człowiekiem a dowolnym przedmiotem powstaje różnica potencjałów. Jeśli pole jest słabe to powietrze zachowuje się jak dobry izolator. Ale kiedy dłoń zbliżamy się do klamki natężenie lokalnie wzrasta. Gdy osiągnie wartość krytyczną, zwaną napięciem przebicia wynoszącą około 3 mln V/m, powietrze staje się przewodnikiem i następuje wyładowanie: między palcem a klamką przepływa prąd. Podczas burzy ładunki gromadzą się w podobny sposób. Rolę butów i dywanów spełniają drobiny lodu i kropelki pary wodnej, które przemieszczają się w chmurze. Nadal nie wiadomo jednak na czym dokładnie polega ten mechanizm. Drobiny zderzają się ze sobą i wymieniają ładunki, przez co przestają być obojętne. Dzięki prądom wznoszącym i grawitacji ładunki następuje separacja czyli rozdzielenie ładunków. Ładunki ujemne gromadzą się na dole chmury,  a dodatnie na górze. Ujemny ładunek na dnie chmury staje się na tyle duży, że napięcie pomiędzy Ziemią a chmurą dochodzi do 100 000 000 V. Ziemia wprawdzie też ma ładunek ujemny, ale jest on tak maleńki wobec olbrzymiego ładunku ujemnego dołu chmury,  że względem chmury Ziemia jest naładowana dodatnio. Olbrzymie napięcie między chmurą a Ziemią wytwarza pole o natężeniach wynoszących tylko 200 tysięcy V/m,  a więc jest to pole za małe, aby wyzwolić przepływ ładunku podobnego do iskry, która przeskakuje,  gdy dotyka się klamki. Powstawanie pioruna jest bardziej złożone i nie do końca wyjaśnione. Najnowsza hipoteza powstawania wyładowań nazywana jest przebiciem z elektronami ucieczkowymi. Zauważono, że elektrony poruszające się z prędkościami bliskimi prędkości światła podczas zderzeń z cząstkami powietrza tracą mało energii i są przyspieszane przez pole elektryczne. Do rozpoczęcia procesu wyładowania potrzebne są więc szybkie elektrony. Naukowcy twierdzą, że czynnikiem inicjującym wyładowanie może być promieniowanie kosmiczne, czyli wysokoenergetyczne cząstki lecące z przestrzeni kosmiczne, ewentualnie cząstki o dużej energii, powstałe z rozpadów jądrowych w atmosferze. Taka szybka cząstka zderza się w chmurze z cząsteczką powietrza (zazwyczaj tlenu lub azotu), początkując deszcz superszybkich elektronów. Elektrony te uderzają o cząstki powietrza wybijając z nich następne szybkie elektrony zwane elektronami ucieczkowymi. Pole elektryczne istniejące między chmurą a ziemią przyspiesza elektrony, inicjując lawinę elektronów ucieczkowych, które są źródłem rozbłysków gamma. Elektrony tworzą na swej drodze kanał zwany liderem krokowym lub prekursorem. Na każdym z odcinków elektrony gromadzące się w czole lidera są źródłem silnego, lokalnego pola, które przyspiesza więcej elektronów ucieczkowych. Następnie wyhamowują na skutek zderzeń z cząsteczkami powietrza emitując promieniowanie rentgenowskie. Znów na czole gromadzi się dużo elektronów i  proces powtarza się wielokrotnie, aż lider krokowy, który może się wielokrotnie rozgałęziać, dotrze do ziemi. Trwa to zaledwie kilka ułamków sekundy. Kiedy lider połączy ziemię i chmurę w powstałym zjonizowanym kanale zaczyna płynąć prąd o dużym natężeniu i zgodnie z prawem Joule'a wydziela się ciepło. Powietrze rozgrzewa do temperatury sięgającej 30000°C. Powoduje to potężny błysk, a powietrze rozgrzane do bardzo wysokiej temperatury gwałtownie się rozpręża i powstaje grzmot. Stąd huk jak przy wystrzale.  Podczas przepływu błyskawicy, powietrze na swojej drodze na ułamek sekundy zmienia się w czwarty stan materii zwany plazmą. Prąd płynący w błyskawicy ma natężenie w szczycie od 2000A do 200 000 A. Wzrasta on do maksymalnego w czasie zaledwie 10 mikrosekund. Całe wyładowanie trwa od 0,02 do 0,05 sekundy. Takich kolejnych uderzeń może być wiele (zaobserwowano do 42 błyskawic na tym samym torze), zawsze jednak następują one bardzo szybko po sobie. Potem chmura zaczyna się ponownie ładować przez co najmniej 5 s i proces może nastąpić ponownie.  Na całej kuli ziemskiej uderza co minutę około 6000 piorunów, najwięcej w rejonach tropikalnych. Najczęściej długość pioruna waha się w granicach kilometra, ale spotkano także takie, które miały więcej niż 10 km (rekordzista mierzył nawet 150 km).  Zwykły piorun nazywany jest piorunem liniowym.  Znane są również pioruny międzychmurowe.  Najbardziej tajemnicze są pioruny kuliste.  Ładunki elektryczne najchętniej gromadzą się na wszelkiego rodzaju ostrzach. Dlatego największe prawdopodobieństwo jest uderzenia pioruna w ostry wystający przedmiot. Na tej zasadzie działają odgromniki, zwane potocznie piorunochronami. Przebywanie w czasie burzy wiąże się z niebezpieczeństwem porażenia. Nie tylko bezpośrednio ale także w pewnej odległości od miejsca uderzenia.  Po uderzeniu ładunek spływa do ziemi i powierzchnia wokół punktu uderzenia ma pewien potencjał, malejący z odległością. Podczas poruszania się człowieka pojawia różnica potencjałów między jedną nogą a drugą, zwana napięciem krokowym, może doprowadzić do porażenia. Najczęściej piorun uderza w drzewa, wzgórza i wysokie obiekty (np. budynki). Dlatego najgorszym miejscem do schronienia się przed burzą jest wysokie, odosobnione drzewo. Trzeba poszukać obniżenia terenu z daleka od przedmiotów metalowych. Warto zostać w samochodzie, gdyż jest on swojego rodzaju puszką Faradaya. Ładunki bowiem gromadzą się jedynie na zewnątrz przedmiotu metalowego, więc w razie uderzenia pioruna w samochód, prąd spłynie po karoserii, nie wnikając do wnętrza. Osoby przebywające w większej grupie powinny się rozproszyć.  Podczas burzy bezpiecznie jest w budynku, jaskini, kanionie. Ryzykowne jest pozostawanie w wodzie i na wodzie w łódce.