蘑菇雲的形成原因主要與爆炸產生的巨大能量和特殊的環境條件有關。
通常，蘑菇雲的形成與核爆炸、熱壓武器爆炸、化學品爆炸、火山爆發或天體撞擊等相關。在這些情況下，一個非常熱的高壓氣團被迅速生成，這個氣團會飛速膨脹並快速上升，將周圍的物質如灰塵、水汽也帶向高空，形成蘑菇雲的莖。隨著氣團的繼續上升，其溫度逐漸冷卻，密度與周圍空氣相近時，上升過程停止。這些氣體以及裹挾的碎片和蒸汽向周圍擴散，形成蘑菇雲的頂部。
在核爆炸的情況下，爆炸中心的高溫氣體受熱膨脹，密度小於周圍空氣，在向上衝擊力的作用下上升形成雲柱。雲柱頂端在遇到高空雲團阻擋時被迫擴散，形成蘑菇雲。同時，爆炸中心形成的真空環境會抽吸周圍的空氣和雜物進入，進一步促進蘑菇雲的形成。