造成核冬天的原因主要是核爆炸時釋放的巨大能量，將大量的煙塵和微粒注入大氣層。
這些微粒中，有很大一部分的直徑小於1微米，因此它們能在高空中停留數天甚至超過一年。這些微粒對太陽的可見光輻射有很強的吸收能力，但對地面向外的紅外光輻射吸收能力較弱，導致高層大氣升溫而地表溫度下降，從而產生與溫室效應相反的效果。這種效應導致地表出現嚴寒的冬季景象，稱為核冬天。
核爆炸還會引起城市和森林中的大火，產生更多的煙塵，進一步加劇了核冬天的效果。這種情況下，大氣中的光學厚度增加，太陽光強度大大減弱，天空變得幽暗，地表面的輻射平衡被破壞，導致地面溫度迅速下降到凍結溫度以下。
此外，長期缺乏陽光會導致植物無法進行光合作用，從而導致大規模的植物死亡。植物的死亡又會導致以植物為食的動物和其他依賴植物生存的生物大量死亡。科學家警告說，核戰爭一旦爆發，核冬天可能對全人類的生存構成嚴重威脅。