每年的夏至那天，太陽光直射北迴歸線，這時北半球獲得的陽光最多，太陽高度角最大。以北京為例，夏至那天的正午時分，太陽高度為73.5度，陽光近似於直射地面。這時陽光穿過的大氣層厚度最小,光和熱被大氣層吸收、散射和反射的量也小，到達地面的就多，有利於地面的溫度升高。
此外，夏季的白天比黑夜長，白天時間長，陽光照射的時間也長，地表吸收的熱量遠大於發散，這就使得地面聚集的熱量一天天增加，溫度持續增高。三伏天正好起始於夏至後的第三個庚日，三伏期間地表熱量的積累達到高峰，這就是三伏天最熱的基本原因。
從氣象角度說，夏季雨水多，空氣溼度大，而水的熱容量比干空氣要大得多，加之平均風速較小，雷雨之前氣壓較低，這也是三伏天有時比較悶熱的重要原因。
當然，在七八月的更多日子，我國許多地區的天氣形勢受副熱帶高壓控制或影響，高壓內部的下沉氣流使天氣晴朗少雲，有利於陽光照射和地面輻射增溫，因此在三伏天還是“乾熱天氣”占主導地位。
