来自太阳的高能带电粒子到达地球附近，与高层稀薄大气中的粒子相遇，产生碰撞、电离、激发，使其中部分原子、分子、离子处于激发态，并在之后的退激发过程中将部分能量以光的形式释放出来，形成大规模的发光。地磁场的存在会影响外来带电粒子的运动以及位置分布，从而此现象主要集中在地球两极附近，故称“极光”。一些行星的大气层也可以观察到类似的现象，只是其分布形式会因整体磁极、局域磁场、诱导磁层的不同而有所变化。
地球大气主要成分体积分数随高度变化曲线图。来源：MSISE-90 (Mass Spectrometer - Incoherent Scatter) Model of the Upper Atmosphere
地球的极光主要是绿色和红色，这与地球大气的成分有关，例如低空占主体的是N₂分子、O₂分子，高空出现更多O原子，而大气最顶层存在较多H原子与He原子。对于激发发光而言，O原子可以产生绿色和红色光，N₂分子和N₂⁺离子可以产生蓝紫色、红色光以及近红外光。各成分对极光颜色的具体贡献比例，除了受其本身光谱性质影响之外，也随着不同高度的大气的成分变化而有所不同；粒子稀疏程度、原子分子撞击频次、各激发态的寿命等，对极光颜色也是重要的影响因素。
偏绿颜色极光的典型光谱。中性氧原子和氮气分子的贡献亦单独给出。左侧坐标轴单位为kR（千瑞利），对应单位面积单位时间的光子数量。400纳米（4000埃）以下和700纳米（7000埃）以上的谱线几乎不可见（670至700纳米之间的谱线也极其微弱）。来源：https://farbeinf.de/static_html/atoms.html
中国南极科学考察站中山站附近极光图。在高处，极光主要来自O原子的红色谱线，从而呈现红色。随着高度降低，大气密度增大，大气内粒子之间的碰撞和激发态寿命等原因影响了红色谱线的强度，使得绿色的极光占据主导。来源：央视新闻
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极光产生条件：大气、磁场、高能带电粒子，这三者缺一不可。因此，太阳系中其他有磁场和大气的行星也有极光现象。极光是一种大规模放电的过程。来自太阳的高能带电粒子到达地球附近，地球磁场迫使其中一部分沿着磁场线集中到南北两极。当它们进入极地的高层大气时，与大气中的原子（主要是O）和分子（主要是N₂）碰撞，使得O原子、N₂分子处于激发态，O原子、N₂分子退激发时以光的形式释放能量，形成了极光。
地球的极光主要是绿色和红色，这和地球大气的成分有关，地球大气主要是由N2、O₂构成的。O贡献了极光中的绿色和褐红色，N₂贡献了极光中的蓝色和红色。
