凡是具有温度的物体，都会透过电磁波放出热能。太阳主要以可见光的形式放出波长较短的“短波辐射”，而地球吸收太阳的能量后，也会借由红外线形式从地表放出波长较长的“长波辐射”，将热能向外传送，因此地球虽长期受到太阳的照射，但温度并不会无限制地上升。在此同时，地球大气中的水汽、云、微尘及不同成分的气体，也会吸收、放出或反射来自太阳或地表的辐射热。整体而言，太阳入射的能量、与地球(包括地表及大气)放出及反射的能量会相等，使能量收支达平衡，因此地球可以维持大致恒定的整体平均温度。
地球能量收支示意图(假定来自太阳的辐射能量为100单位)
白天时，太阳提供的能量多于地球散逸的能量，所以地面温度会明显的持续升高。但是到了夜晚，少了太阳的短波辐射，只剩地面不断透过红外线长波辐射将能量散逸，地表的温度就会持续下降。所以，从日落之后一直到清晨之前，地面一直在散逸能量，使得温度在日出之前达到最低，这就是所谓的“辐射冷却”作用。
由于大气中的水汽及云层可以吸收来自地表的长波辐射，再往地表放射热能，使热量不会完全散失到外太空，因此当夜晚的天空被云覆盖时，辐射冷却效应较微弱，就像地表盖了条棉被般，具有保温的效果。反之若天空为晴朗无云且微风干燥的状态，夜晚到隔天日出前地表热量的散逸将会相当显著，辐射冷却效应特别强，使气温明显降低。
那么在都会区和郊区的辐射冷却效应会有差别吗？由于都会区人口密集，建筑物也会在白天吸收热量，人工热源多加上散热不易，所以夜晚的辐射冷却效应较缓；反之，郊区辐射冷却效应就会较强。总而言之，晴朗无云、干燥微风及空旷的平地是利于辐射冷却效应形成的条件，以台湾来说，嘉南平原最容易出现这样的现象，所以台湾平地冬天清晨观测到最低温的地方，有时候不是在冷空气影响较显著的北台湾，反而是在中南部的空旷地区。
辐射冷却会造成什么天气现象？
有一种雾称为“辐射雾”，就是由辐射冷却效应所造成，通常是晴朗无云、风速微弱的夜晚至清晨间，近地面的大气稳定，此时地表迅速散热冷却，使低空水汽降温至露点以下，凝结成小水滴悬浮于近地面空气中，就形成了一层雾。这种雾的厚度较薄，并贴近于地表，它的特性是当太阳出来后，地面温度回升，雾中的小水滴迅速蒸发，雾很快就消散了。