Gök gürültüsü yıldırımlardan kaynaklanır. Elektriksel olarak yüklenen fırtına bulutlarının içinde, fırtına bulutları arasında ya da fırtına bulutu ile yer arasında gerçekleşen yük aktarımı yıldırımları oluşturur. Yıldırımlar esnasında yıldırım hattının etrafındaki havanın sıcaklığı 30.000°C’ye ulaşabilir. Bu değer Güneş’in yüzey sıcaklığının yaklaşık beş katına eşittir. Ancak yüksek sıcaklıktaki iyonlaşmış haldeki havanın oluşturduğu bu hat hayli dardır (1-4 cm) ve mikrosaniye ölçeğinde etkilidir. Yıldırımların fotoğraflanmasıyla yapılan ölçümlerde yük aktarım hattının genişliğinin 10 cm’ye, yıldırım çarpan kayaçların kristal yapısında oluşan değişimlerin analizine dayanan ölçümlerde ise 5 cm’ye ulaşabileceği belirlenmiştir.

Isınan havanın basıncı normal atmosfer basıncının 10-100 katına çıkabilir ve hava ani bir şekilde genleşir. Bu durum yıldırım hattı boyunca havada -sonik patlamalar sırasında olduğu gibi- şok dalgalarının oluşmasına neden olur. Gök gürültüleri sırasında duyduğumuz patlamaya benzer sesler bu durumdan kaynaklanır.

Gök gürültüsü, yıldırımın oluşma şekline ve konumuna bağlı olarak ani ve şiddetli bir çatlama sesi ya da daha alçak sesli ve uzun süreli gümbürtüler şeklinde duyulabilir.

Yıldırım olmaksızın gök gürültüsünün ortaya çıkması mümkün değildir. Ancak yıldırımların oluşması için her zaman fırtına bulutlarına ihtiyaç yoktur. Yıldırımlar volkanik patlamalar ve büyük orman yangınları sırasında da gözlenebilir.