A jellegzetes formájú gombafelhőt általában nukleáris robbanással társítjuk, pedig más, nagy erejű robbanás is okozhatja. Még természetes úton is létrejöhetnek, például vuklánkitörés és meteoritbecsapódás után.

Gombafelhő akkor jön létre, amikor nagyon gyorsan nagy mennyiségű forró és alacsony nyomású gáz jön létre a talaj közelében, úgynevezett Rayleigh–Taylor instabilitást alakítva ki.

A legismertebbek a nukleáris robbanás miatti gombafelhők: a robbanás utáni tűzfelhő melegebb, mint a környezete, ezért emelkedni kezd. A gázok örvénygyűrűt hoznak létre, ami további füstöt, törmeléket emel a magasba. A felhő alá levegő áramlik nagy gyorsasággal, ez erős légáramlatokat okoz. Ha a robbanás elég közel van a földhöz, ezek a szelek törmelékeket szippanthatnak fel a talajról, létrehozva a gomba szárát.

A tűzgömb gyorsan emelkedik, és mivel a közepén forróbban a gázok, ezért a közepe még nagyobb sebességgel tart felfelé. Egy idő után a felhő hűlni kezd és egyre lassabban emelkedik. Viszonylag nagy magasság elérésével pedig oszlani is kezd, és szétterül. Így alakul ki a gombaforma. Az igazán erős robbanások okozta felhők akár a sztratoszférát is elérhetik.

Gombafelhőt tehát csak azok a robbanások okoznak, amelyeket közvetlenül a talaj felett robbantanak fel. Ha magasan robban a bomba, vagy esetleg a föld alatt, akkor nem keletkezik gombafelhő. A felhők anyaga több összetevőből áll: egyrészt a bomba maradványaiból és a hasadási termékekből, és vannak még benne a talajból származó anyagok, por, törmelék, valamint nagy mennyiségű vízpára.

A gombafelhők színe eleinte többnyire vörös vagy barnás, ezt a nitrogén-dioxid és salétromsav adja. A reakció melléktermékeként ózon is keletkezik, ezért jellegzetes szagot érezni a közelben. A vöröses árnyalat később a vízpára miatt eltűnik, a gombafelhő fehér lesz, illetve ekkor már a benne lévő törmelék is színezheti.

Említettük, hogy nem csak nukleáris robbanás után jöhet létre gombafelhő, hanem természeti jelenségek miatt is. Több vulkánkitörésnél is fotóztak már ilyen képződményt, ott a gomba forma kialakulása hasonló; persze óriási különbség, hogy nincs a felhőben radioaktív anyag.