Há um contraste térmico entre a área mais urbanizada e menos urbanizada ou periférica, que inclusive pode ser área agrícola. Alterações da umidade do ar, da precipitação e do vento também estão associadas à presença de ilha de calor urbana. Em geral, nas cidades de latitudes médias e altas (onde o clima é mais frio) forma-se durante a noite, em associação com o estabelecimento de uma circulação tridimensional na camada limite urbana (CLU) cujo ramo inferior ocorre na forma de um fraco escoamento centrípeto chamado  brisa urbana, com intensidade da ordem de 1 a 3 km/h.

A origem das ilhas de calor decorre da simples presença de edificações e das alterações das paisagens feitas pelo ser humano nas cidades. A superfície urbana apresenta particularidades em relação à menor capacidade térmica e densidade dos materiais utilizados nas construções urbanas: asfalto, concreto, telhas, solo exposto, presença de vegetação nos parques, ruas, avenidas, bulevares e também, alterações do albedo (reflexão das ondas curtas solares) devido às sombras projetadas das construções e à impermeabilização da superfície do solo que implica aumento da velocidade do escoamento superficial da água de chuva e maior risco de cheias das baixadas, várzeas etc.