每年的夏至那天，太阳光直射北回归线，这时北半球获得的阳光最多，太阳高度角最大。以北京为例，夏至那天的正午时分，太阳高度为73.5度，阳光近似于直射地面。这时阳光穿过的大气层厚度最小,光和热被大气层吸收、散射和反射的量也小，到达地面的就多，有利于地面的温度升高。
此外，夏季的白天比黑夜长，白天时间长，阳光照射的时间也长，地表吸收的热量远大于发散，这就使得地面聚集的热量一天天增加，温度持续增高。三伏天正好起始于夏至后的第三个庚日，三伏期间地表热量的积累达到高峰，这就是三伏天最热的基本原因。
从气象角度说，夏季雨水多，空气湿度大，而水的热容量比干空气要大得多，加之平均风速较小，雷雨之前气压较低，这也是三伏天有时比较闷热的重要原因。
当然，在七八月的更多日子，我国许多地区的天气形势受副热带高压控制或影响，高压内部的下沉气流使天气晴朗少云，有利于阳光照射和地面辐射增温，因此在三伏天还是“干热天气”占主导地位。
