Lorsque l'air chaud et humide s'élève, il se refroidit progressivement. En refroidissant, la vapeur d'eau qu'il contient se condense en gouttelettes d'eau ou en cristaux de glace, formant ainsi un cumulus. Si l'instabilité est forte, ce nuage continue de croître verticalement, passant du stade de cumulus bourgeonnant à celui de cumulonimbus, qui est le nuage d'orage par excellence. Ce développement vertical peut atteindre la tropopause, la limite entre la troposphère et la stratosphère, vers une altitude de dix à quinze kilomètres sous nos latitudes. La condensation libère de la chaleur latente, ce qui renforce encore le mouvement ascendant de l'air. Ce courant ascendant peut devenir violent, avec des vitesses verticales de plusieurs dizaines de mètres par seconde.

À l'intérieur du cumulonimbus, des particules de glace et des gouttelettes d'eau entrent en collision les unes avec les autres. Ces collisions provoquent une séparation des charges électriques : les petits cristaux de glace chargés positivement sont emportés vers le sommet du nuage, tandis que les particules plus lourdes, plutôt chargées négativement, se concentrent dans les parties basses et moyennes. Cette séparation de charges crée un champ électrique intense à l'intérieur du nuage et entre le nuage et le sol. Lorsque ce champ devient trop fort, il provoque une décharge électrique brutale : c'est l'éclair. L'éclair chauffe l'air sur son passage à une température de plusieurs dizaines de milliers de degrés en une fraction de seconde, ce qui entraîne une dilatation explosive de l'air et produit l'onde sonore que nous appelons le tonnerre. Comme la lumière se déplace beaucoup plus vite que le son, on voit d'abord l'éclair puis on entend le tonnerre avec un retard proportionnel à la distance.

Un orage produit également des précipitations intenses, sous forme de pluie, de grêle, ou parfois de neige. Les forts courants ascendants maintiennent en suspension des gouttelettes et des grêlons dans le nuage, leur permettant de grossir par accrétion avant de retomber. Lorsque ces particules deviennent trop lourdes pour être soutenues par le courant ascendant, elles tombent brutalement, ce qui crée des averses soudaines et parfois des chutes de grêle destructrices. Le courant descendant associé aux précipitations, chargé d'air refroidi par l'évaporation, s'étale en surface et peut provoquer des rafales de vent violentes, appelées rafales descendantes ou micro-rafales.

Certains orages sont plus organisés que d'autres. 

• Un orage monocellulaire est une cellule isolée de courte durée, généralement moins d'une heure. 

• Un orage multicellulaire est composé de plusieurs cellules à différents stades de développement, ce qui lui permet de durer plus longtemps et de se déplacer. 

• Les orages supercellulaires sont les plus violents : ils possèdent un courant ascendant rotatif, le mésocyclone, qui peut persister plusieurs heures, produire de très gros grêlons, des vents extrêmes et parfois des tornades.

L'étude des orages repose sur l'observation radar, les satellites, les stations au sol, ainsi que sur les modèles numériques qui simulent la convection atmosphérique pour anticiper leur formation, leur intensité et leur trajectoire.