汙染物排放強度大是重汙染天氣形成的內因，靜穩、小風、高溼以及逆溫等不利氣象條件則是重汙染天氣形成的外因。
內因：汙染物排放強度大
目前，細顆粒物（PM2.5）是對我國大氣環境質量影響最大的汙染物，不管是從超標城市的數量、各城市超標的程度分析，還是從對重汙染天氣貢獻的角度分析，PM2.5的影響都遠遠大於其他汙染物。大氣PM2.5汙染的來源主要包括一次顆粒物排放的直接貢獻，以及二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx）、揮發性有機物（VOCs）和氨（NH3）等氣態前體物二次轉化的間接貢獻。
環境保護部於2014年1月啟動了全國各直轄市、省會城市和計劃單列市共35個城市的PM2.5來源解析工作，結果表明，燃煤、機動車、揚塵、工業生產等是PM2.5的主要來源。大氣PM2.5的來源貢獻具有較大的地區差異。
石家莊、濟南、太原、長春、哈爾濱、南京、貴陽、烏魯木齊等城市PM2.5的首要來源是燃煤排放，其佔比均在25%以上；
河北各城市源解析結果表明，燃煤排放作為保定、廊坊、滄州等城市PM2.5首要來源，佔比均在30%以上，燃煤汙染防治是上述城市PM2.5汙染防控的重中之重。
特別是冬季採暖期間，燃煤排放對京津冀及周邊地區大氣PM2.5汙染的貢獻更加凸顯，PM2.5中的有機碳（OC）、元素碳（EC）、硫酸鹽等主要組分都與燃煤排放直接相關，其它主要組分如硝酸鹽、銨鹽等也部分來自於燃煤鍋爐和燃煤散燒，冬季大氣重汙染防控的首要任務就是大力削減燃煤排放。
但同時也要看到，北京、上海、杭州等城市PM2.5的首要來源為機動車排放，佔比都在30%左右（上海包括機動車和非道路移動源），深圳市機動車排放對PM2.5的貢獻甚至高達41%，大連、廈門、重慶（主城區）、成都、西安等城市PM2.5的首要來源也是機動車排放，佔比在20%-30%之間，機動車汙染防治對上述城市的PM2.5汙染防控非常重要。
在重汙染預警期間，北京等城市加大機動車汙染管控，特別是老舊車和柴油車等高排放車管控，有助於降低汙染峰值。此外，天津、呼和浩特、銀川、蘭州、西寧等城市PM2.5的首要來源是揚塵汙染，佔比在25%-40%之間，這些城市要進一步加大揚塵汙染防治力度。
環境監測數據和相關研究都表明，自2013年「大氣十條」實施以來，全國和各地大氣汙染防控措施取得成效，一次汙染物（SO2、NO2及一次顆粒物等）濃度下降明顯。但是，顆粒物中的二次成分下降顯著緩於一次汙染物，重汙染期間大氣PM2.5的爆發式增長往往與硫酸鹽、硝酸鹽等二次成分快速增長有關。
值得注意的是，除了SO2、NOx等氣態前體物分別轉化為硫酸鹽、硝酸鹽等二次成分的機制外，還存在這些化學成分之間的相互影響，如NO2促進SO2加快轉化為硫酸鹽，產生「1＋1>2」的大氣汙染生成效果。這些機制在大氣重汙染形成中起到怎樣的作用，對於重汙染預報預警、多汙染物協同控制方案的制定都十分關鍵。
外因：不利氣象條件
不利氣象條件是重汙染天氣形成的外因，比如靜穩，小風，高溼以及逆溫等，會在排放基本相同的前提下導致更加嚴重的空氣汙染。
研究表明，「大氣十條」實施以來，京津冀區域的汙染氣象條件總體上趨於不利，這也加大了汙染治理的難度。從京津冀區域汙染氣象條件的對比分析看，2014年比2013年轉差17%，2015年比2013年轉差12%，2016年秋冬季我國再一次經歷了非常不利的汙染氣象條件，尤其是北方地區冷空氣不活躍，強度弱，風速小，溫度明顯偏高。同時，大氣汙染過程與氣象過程之間存在相互作用。大氣汙染積累到一定程度，顆粒物化學組分（如硫酸鹽、黑碳和有機組分等）呈現對輻射的顯著影響，在相當程度上導致邊界層的大氣擴散能力減弱，從而進一步加劇重汙染。
此外，重汙染天氣的形成還受到全球氣候變化的影響，以全球變暖為主要特徵的氣候變化使大氣層結更加穩定，已成為國際上的共識。如去年秋冬季以來，全球普遍出現異常氣候，多個國家包括基本解決空氣重汙染問題的英國、法國、韓國等發達國家，也相繼發生了較高強度、較大範圍的大氣重汙染。