Contrairement à ce que l'on pourrait croire, la célèbre forme du « champignon atomique » n'est pas vraiment spécifique aux explosions nucléaires. En fait, une déflagration massive provoquée par des explosifs chimiques produirait exactement le même effet.

Lorsqu'une bombe nucléaire éclate, elle émet une grande quantité de rayons X qui ionisent et chauffent l'air environnant. Il en résulte une énorme bulle d'air incandescent. Plus légère que l'air, cette « boule de feu » s'élève rapidement au-dessus du sol et génère un puissant courant d'air ascendant qui aspire la matière pulvérisée par l'explosion. Cette colonne d'air forme la « tige » du « champignon ».

Toutes les bombes atomiques produisent une « tige », mais on observe la formation d'un « chapeau » – et donc d'un véritable « champignon » – uniquement lors de déflagrations très puissantes (bombes H). Dans ce cas, la boule de feu s'élève si haut qu'elle atteint la limite entre la troposphère et la stratosphère : la tropopause située à environ 15 km au-dessus du niveau de la mer. A cette altitude, la boule de feu s'est passablement refroidie et elle n'a plus suffisamment d'énergie pour poursuivre son expansion dans la stratosphère. L'expansion s'effectue donc sur les côtés, ce qui forme le « chapeau » du champignon.