Le mécanisme physique de l'OAN repose sur l'interaction entre deux centres d'action semi-permanents de la circulation atmosphérique dans l'Atlantique Nord : la dépression d'Islande (zone de basses pressions au nord) et l'anticyclone des Açores (zone de hautes pressions au sud). Ces deux systèmes sont liés à la circulation générale de l'atmosphère, notamment au courant-jet d'ouest qui souffle aux latitudes moyennes. La force et la position de ce dipôle de pression fluctuent constamment, et c'est cette fluctuation qui définit l'OAN. L'intensité de l'OAN est quantifiée par un indice qui mesure la différence de pression atmosphérique au niveau de la mer entre ces deux pôles, généralement entre les stations de Lisbonne (Portugal) et de Reykjavik (Islande).

On distingue deux phases principales de l'OAN, qui correspondent aux deux configurations extrêmes de ce système. Une phase dite "positive" se met en place lorsque la différence de pression entre l'anticyclone des Açores et la dépression d'Islande est plus forte que la normale. Concrètement, l'anticyclone des Açores est particulièrement puissant et s'étend vers le nord, tandis que la dépression islandaise est très creuse. Ce contraste de pression accentué a pour effet de renforcer et de redresser le courant-jet d'ouest, qui s'écoule alors de manière plus zonale (d'ouest en est) à travers l'Atlantique Nord. À l'inverse, une phase dite "négative" se caractérise par un affaiblissement simultané de ces deux centres d'action, avec un anticyclone des Açores moins puissant et une dépression islandaise moins profonde. Le gradient de pression étant plus faible, le courant-jet est moins vigoureux et ondule davantage, adoptant une trajectoire plus méridienne (nord-sud).

Ces changements de phase ont des répercussions considérables sur les régimes de vents, de températures et de précipitations, principalement en hiver, saison où l'OAN est la plus active et influence le plus le climat. Lors d'une phase positive, le puissant flux d'ouest transporte l'air océanique doux et humide sur le nord de l'Europe, y apportant des hivers anormalement doux et très arrosés. Parallèlement, le sud de l'Europe et le pourtour méditerranéen se retrouvent en marge de ce flux et connaissent un temps plus sec et froid. De l'autre côté de l'Atlantique, l'est de l'Amérique du Nord bénéficie de conditions plus douces et moins perturbées. La phase négative inverse ce schéma : le courant-jet faiblit et plonge vers le sud. Le nord de l'Europe subit alors des hivers plus froids et plus secs, tandis que le sud de l'Europe et la Méditerranée deviennent plus doux et plus humides. L'est de l'Amérique du Nord connaît des hivers plus froids avec de fréquentes descentes d'air arctique.

Au-delà de ces impacts météorologiques directs, l'OAN est un facteur clé de la variabilité climatique à plus long terme, avec des conséquences profondes sur les écosystèmes et les activités humaines. Sa variabilité s'exprime à des échelles de temps très diverses, allant de l'année à la décennie. On a ainsi observé des périodes de plusieurs décennies où une phase domine, comme la tendance fortement positive de l'indice dans les années 1980-1990, qui a contribué au rapide réchauffement de l'océan Atlantique Nord et à des hivers particulièrement doux en Europe. Les fluctuations de l'OAN ont également un impact écologique significatif. Dans l'océan, elles influencent la distribution et l'abondance des populations de poissons en modifiant la température de l'eau et les courants, ce qui affecte directement les activités de pêche et la gestion des ressources halieutiques. Sur les continents, l'OAN influence la productivité agricole et la sécurité alimentaire. Les hivers doux et humides en Europe du Nord, ou au contraire les sécheresses hivernales dans le Sud, ont un impact direct sur les rendements des cultures, la gestion de l'eau et, au final, sur les économies.