Trên Trái Đất, các hiện tượng thời tiết thường gặp gồm có gió, mây, mưa, tuyết, sương giá và bão bụi. Các sự kiện ít phổ biến khác gồm các thảm họa tự nhiên như lốc, bão bão tuyết. Hầu hết các hiện tượng thời tiết xuất hiện trong tầng đối lưu.[3] Các hiện tượng thời tiết không xuất hiện trong tầng bình lưu và có thể ảnh hưởng đến thời tiết ở tầng đối lưu bên dưới, nhưng những cơ chế chinh xác vẫn chưa được hiểu rõ.[5]

Thời tiết xảy ra chủ yếu do áp suất không khí, nhiệt độ và độ ẩm chênh lệch giữa nơi này với nơi khác. Những khác biệt này có thể xảy ra do góc mặt trời tại bất kỳ vị trí cụ thể nào, thay đổi theo vĩ độ từ vùng nhiệt đới. Nói cách khác, càng nằm xa vùng nhiệt đới, góc mặt trời càng thấp, điều đó làm cho những vị trí đó mát hơn do sự lan truyền của ánh sáng mặt trời trên một bề mặt lớn hơn.[6] Sự tương phản nhiệt độ mạnh mẽ giữa không khí vùng cực và nhiệt đới làm phát sinh các tế bào lưu thông khí quyển quy mô lớn và dòng phản lực.[7] Các hệ thống thời tiết ở các vĩ độ trung bình, chẳng hạn như lốc xoáy ngoài hành tinh, là do sự không ổn định của dòng chảy tia.[8] Các hệ thống thời tiết ở vùng nhiệt đới, như gió mùa hoặc hệ thống giông bão có tổ chức, được gây ra bởi các quá trình khác nhau.

Do trục của Trái Đất nghiêng so với mặt phẳng quỹ đạo của nó, ánh sáng mặt trời là sự cố ở các góc khác nhau vào các thời điểm khác nhau trong năm. Vào tháng 6, Bắc bán cầu nghiêng về phía mặt trời, do đó, tại bất kỳ Bắc bán cầu nào, ánh sáng mặt trời vĩ độ rơi trực tiếp vào điểm đó nhiều hơn vào tháng 12 (xem Ảnh hưởng của góc mặt trời đối với khí hậu).[9] Hiệu ứng này gây ra các mùa. Trải qua hàng ngàn đến hàng trăm ngàn năm, những thay đổi trong các thông số quỹ đạo của Trái Đất ảnh hưởng đến lượng và sự phân phối năng lượng mặt trời mà Trái Đất nhận được và ảnh hưởng đến khí hậu lâu dài. (Xem chu kỳ Milankovitch).[10]

Sự nóng lên của mặt trời không đồng đều (sự hình thành các vùng nhiệt độ và độ ẩm, hoặc sự hình thành trước) cũng có thể là do thời tiết ở dạng mây và mưa.[11] Độ cao cao hơn thường mát hơn so với độ cao thấp hơn, kết quả của nhiệt độ bề mặt cao hơn và sưởi ấm bức xạ, tạo ra quá trình đoạn nhiệt giảm dần.[12][13] Trong một số tình huống, nhiệt độ thực sự tăng theo chiều cao. Hiện tượng này được gọi là đảo ngược và có thể làm cho đỉnh núi ấm hơn so với các thung lũng bên dưới. Nghịch đảo có thể dẫn đến sự hình thành của sương mù và thường hoạt động như một chiếc mũ ngăn chặn sự phát triển của giông bão. Ở quy mô địa phương, sự khác biệt nhiệt độ có thể xảy ra do các bề mặt khác nhau (như đại dương, rừng, tảng băng hoặc vật thể nhân tạo) có các đặc điểm vật lý khác nhau như độ phản xạ, độ nhám hoặc độ ẩm.

Sự khác biệt nhiệt độ bề mặt lần lượt gây ra chênh lệch áp suất. Một bề mặt nóng làm ấm không khí phía trên nó làm cho nó giãn nở và giảm mật độ và áp suất không khí bề mặt.[14] Độ dốc áp suất ngang tạo ra sẽ di chuyển không khí từ các vùng áp suất cao hơn xuống thấp hơn, tạo ra gió và sự quay của Trái Đất sau đó gây ra sự lệch hướng của luồng không khí này do hiệu ứng Coriolis.[15] Do đó, các hệ thống đơn giản được hình thành có thể hiển thị hành vi mới nổi để tạo ra các hệ thống phức tạp hơn và do đó các hiện tượng thời tiết khác. Các ví dụ quy mô lớn bao gồm tế bào Hadley trong khi một ví dụ quy mô nhỏ hơn sẽ là những cơn gió ven biển.

Khí quyển là một hệ thống hỗn loạn. Kết quả là, những thay đổi nhỏ đối với một phần của hệ thống có thể tích lũy và thổi phồng lên để gây ra những ảnh hưởng lớn đến toàn bộ hệ thống.[16] Sự bất ổn trong khí quyển này làm cho dự báo thời tiết khó có thể dự đoán như là thủy triều hoặc nhật thực.[17] Mặc dù khó có thể dự đoán chính xác thời tiết hơn một vài ngày trước, các nhà dự báo thời tiết đang tiếp tục làm việc để mở rộng giới hạn này thông qua nghiên cứu khí tượng và tinh chỉnh các phương pháp hiện tại trong dự báo thời tiết. Tuy nhiên, về mặt lý thuyết là không thể đưa ra dự đoán hàng ngày dài hơn hai tuần tới, áp đặt giới hạn trên cho tiềm năng cải thiện kỹ năng dự đoán.[18]