污染物排放强度大是重污染天气形成的内因，静稳、小风、高湿以及逆温等不利气象条件则是重污染天气形成的外因。目前，细颗粒物（PM2.5）是对我国大气环境质量影响最大的污染物，不管是从超标城市的数量、各城市超标的程度分析，还是从对重污染天气贡献的角度分析，PM2.5的影响都远远大于其他污染物。大气PM2.5污染的来源主要包括一次颗粒物排放的直接贡献，以及二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx）、挥发性有机物（VOCs）和氨（NH3）等气态前体物二次转化的间接贡献。
环境保护部于2014年1月启动了全国各直辖市、省会城市和计划单列市共35个城市的PM2.5来源解析工作，结果表明，燃煤、机动车、扬尘、工业生产等是PM2.5的主要来源。大气PM2.5的来源贡献具有较大的地区差异。石家庄、济南、太原、长春、哈尔滨、南京、贵阳、乌鲁木齐等城市PM2.5的首要来源是燃煤排放，其占比均在25%以上；河北各城市源解析结果表明，燃煤排放作为保定、廊坊、沧州等城市PM2.5首要来源，占比均在30%以上，燃煤污染防治是上述城市PM2.5污染防控的重中之重。特别是冬季采暖期间，燃煤排放对京津冀及周边地区大气PM2.5污染的贡献更加凸显，PM2.5中的有机碳（OC）、元素碳（EC）、硫酸盐等主要组分都与燃煤排放直接相关，其他主要组分如硝酸盐、铵盐等也部分来自于燃煤锅炉和燃煤散烧，冬季大气重污染防控的首要任务就是大力削减燃煤排放。
但同时也要看到，北京、上海、杭州等城市PM2.5的首要来源为机动车排放，占比都在30%左右（上海包括机动车和非道路移动源），深圳市机动车排放对PM2.5的贡献甚至高达41%，大连、厦门、重庆（主城区）、成都、西安等城市PM2.5的首要来源也是机动车排放，占比在20%~30%之间，机动车污染防治对上述城市的PM2.5污染防控非常重要。在重污染预警期间，北京等城市加大机动车污染管控，特别是老旧车和柴油车等高排放车管控，有助于降低污染峰值。此外，天津、呼和浩特、银川、兰州、西宁等城市PM2.5的首要来源是扬尘污染，占比在25%~40%之间，这些城市要进一步加大扬尘污染防治力度。
环境监测数据和相关研究都表明，自2013年“大气十条”实施以来，全国和各地大气污染防控措施取得成效，一次污染物（SO2、NO2及一次颗粒物等）浓度下降明显。但是，颗粒物中的二次成分下降显著缓于一次污染物，重污染期间大气PM2.5的爆发式增长往往与硫酸盐、硝酸盐等二次成分快速增长有关。值得注意的是，除了SO2、NOx等气态前体物分别转化为硫酸盐、硝酸盐等二次成分的机制外，还存在这些化学成分之间的相互影响，如NO2促进SO2加快转化为硫酸盐，产生“1＋1>2”的大气污染生成效果。这些机制在大气重污染形成中起到怎样的作用，对于重污染预报预警、多污染物协同控制方案的制定都十分关键。
不利气象条件是重污染天气形成的外因，比如静稳、小风、高湿以及逆温等，会在排放基本相同的前提下导致更加严重的空气污染。研究表明，“大气十条”实施以来，京津冀区域的污染气象条件总体上趋于不利，这也加大了污染治理的难度。从京津冀区域污染气象条件的对比分析看，2014年比2013年转差17%，2015年比2013年转差12%，2016年秋冬季我国再一次经历了非常不利的污染气象条件，尤其是北方地区冷空气不活跃，强度弱，风速小，温度明显偏高。同时，大气污染过程与气象过程之间存在相互作用。大气污染积累到一定程度，颗粒物化学组分（如硫酸盐、黑碳和有机组分等）呈现对辐射的显著影响，在相当程度上导致边界层的大气扩散能力减弱，从而进一步加剧重污染。
此外，重污染天气的形成还受到全球气候变化的影响，以全球变暖为主要特征的气候变化使大气层结更加稳定，已成为国际上的共识。如去年秋冬季以来，全球普遍出现异常气候，多个国家包括基本解决空气重污染问题的英国、法国、韩国等发达国家，也相继发生了较高强度、较大范围的大气重污染。
