Aurora polară terestră e provocată de ciocnirea unor particule încărcate electric (de exemplu electroni) din magnetosferă cu atomi din straturile superioare ale atmosferei terestre, aflate la altitudini de peste 80 km. Aceste particule electrice au o energie de 1 până la 15 keV iar coliziunea lor cu atomii de gaz din atmosferă determină energizarea acestora din urmă. Prin fiecare coliziune o parte din energia particulei este transmisă atomului atins, într-un proces de ionizare, disociere şi excitare a particulelor. În timpul ionizării, electronii se desprind de atom, care încarcă energie şi determină un efect de ionizare de tip domino în alţi atomi. Excitaţia rezultă în emisie, ducând atomul în stări instabile, dat fiind că aceştia emit lumină în frecvenţe specifice când se stabilizează. Dacă procesul de stabilizare a oxigenului durează până la o secundă, azotul se stabilizează şi emite lumină instantaneu. Acest proces, esenţial în formarea ionosferei terestre, este comparabil cu cel ce stă la baza ecranului de televizor: electronii ating suprafaţa de fosfor, alterând nivelul de energie al moleculelor, fapt care rezultă în emisiunea de lumină.
În general, efectul luminos este dominat de emisiunea de atomi de oxigen în straturile superioare ale atmosferei (aproximativ 200 de kilometri de altitudine), care produce tonalitatea verde. Când se produc furtuni puternice, straturile inferioare ale atmosferei sunt atinse de vântul solar (la aproximativ 100 de kilometri altitudine), producând tonalitatea roşu închis prin emisiunea de atomi de azot (predominantă) şi oxigen. Atomii de oxigen emit tonalităţi de culori variate, deşi, de cele mai multe ori, se întâlnesc roşul sau verdele.
Fenomenul poate apărea şi ca o luminescenţă ultravioletă, violetă sau albastră, datorată atomilor de azot, prima dintre acestea putând fi foarte bine observată din spaţiu (dar nu de pe Pământ, pentru că atmosfera absoarbe razele UV). Satelitul NASA Polar a observat efectul în raze X, imaginile ilustrând precipitaţii de electroni de energie ridicată.
Interacţiunea între moleculele de oxigen şi azot, ambele generatoare de tonalităţi ale culorii verde, creează efectul de „linie verde aurorală”, fenomen regăsit în imaginile de mai jos, produse de Staţia Spaţială Internaţională. În acelaşi fel, interacţiunea dintre aceşti atomi poate produce efectul de „linie roşie aurorală”, deşi mai rar şi prezent în altitudini mai ridicate.


Magnetosferă schematică a Terrei
Planeta noastră este atinsă permanent de vânturi solare, fluxuri rarefiate de plasmă caldă (gaz de electroni liberi şi cationi) emise de Soare în toate direcţiile, ca rezultat al temperaturii înalte a coroanei solare, stratul exterior al stelei. Pe durata furtunilor magnetice, fluxurile pot fi mai puternice, asemenea câmpului magnetic interplanetar apărut între două corpuri celeste, determinând conturbarea ionosferei în răspuns la furtuni. Asemenea tulburări afectează calitatea comunicaţiilor radio sau a sistemelor de navigare, putând afecta astronauţii din aceste regiuni, celulele solare ale sateliţilor artificiali, indicaţia busolelor şi acţiunea radarelor. Acţiunea ionosferei este complexă şi dificil de modelat, îngreunând prezicerea fenomenelor de acest tip.
Magnetosfera terestră este o regiune din spaţiu dominată de câmp magnetic. Ea se constituie ca un obstacol în drumul vântului solar, cauzând dispersarea sa pe sensul de întoarcere. Lăţimea sa este de aproximativ 190 000 Km, iar în timpul nopţilor o lungă coadă magnetică se extinde pe distanţe chiar şi mai mari.
Aurorele sunt încadrate în general în regiuni cu format oval, apropiate polurilor magnetice. Când activitatea efectului este calmă, regiunea dispune de o dimensiune medie de 3 mii de kilometri, putând varia până la 4 sau 5 mii de kilometri când vânturile solare se intensifică.
Sursa de energie a aurorelor este dată de vânturile solare care circulă pe Terra. Atât magnetosfera, cât şi vânturile solare pod conduce electricitate. Este cunoscut faptul că dacă două conductoare electrice legate într-un circuit electric sunt introduse într-un câmp magnetic, iar unul dintre ele se deplasează în jurul celuilalt, în circuit este generat un curent electric. Generatoarele electrice şi dinamurile utilizează acest principiu, însă conductoarele tradiţionale pot fi înlocuite de plasme sau chiar alte fluide. În acest context, vântul solare şi magnetosfera sunt fluide conductoare de electricitate cu mişcare relativă, fiind astfel capabile să genereze curent electric, care produce efect luminos.
Cum polurile magnetice şi geografice ale planetei noastre nu sunt aliniate, în acelaşi fel regiunile aurorale nu sunt aliniate cu polul geografic. Cele mai bune puncte de observaţie a aurorelor se găsesc în Canada pentru aurorele boreale şi pe insula Tazmania sau în sudul Noii Zeelande pentru aurorele australe.