Đất liền và biển hấp thụ, toả nhiệt với tốc độ rất khác nhau: đất liền nguội đi nhanh hơn nhiều so với đại dương khi mùa đông tới. Toàn bộ vùng lục địa Xibia và Mông Cổ rộng lớn ở phía bắc châu Á, vào mùa đông trở nên cực kỳ lạnh giá, khiến không khí ở đó co lại, trở nên đặc và nặng, tạo thành một vùng áp suất cao khổng lồ gọi là áp cao Xibia. Không khí lạnh từ vùng áp cao này tràn xuống phía nam để lấp đầy những vùng áp suất thấp hơn, đi qua Trung Quốc rồi tràn vào Việt Nam theo hướng đông bắc, mang theo cái lạnh, gọi là gió mùa đông bắc hay không khí lạnh.

Nguyên nhân cốt lõi là sự chênh lệch áp suất khổng lồ giữa vùng áp cao lạnh giá ở lục địa phía bắc và vùng áp thấp hơn ở phía nam gần xích đạo, đúng theo nguyên lý gió luôn thổi từ nơi áp suất cao sang nơi áp suất thấp. Miền Bắc Việt Nam nằm ở vị trí hứng trực tiếp luồng khí lạnh này khi nó tràn xuống, nên mỗi đợt gió mùa đông bắc tràn về thường kèm nhiệt độ giảm mạnh, đôi khi tới cả chục độ chỉ trong một ngày. Càng vào sâu miền Nam, khối khí lạnh càng suy yếu do quãng đường xa và bị dãy Trường Sơn cản lại, nên miền Nam gần như không cảm nhận được cái lạnh này.

Người dân Hà Nội quen thuộc với cảm giác trời đang ấm áp bỗng chuyển lạnh đột ngột chỉ sau một đêm khi có "đợt không khí lạnh tăng cường" theo bản tin dự báo thời tiết, đó chính là một đợt gió mùa đông bắc mới tràn về. Những đợt rét đậm, rét hại nhất ở vùng núi phía Bắc như Sa Pa, Mẫu Sơn, khiến nước có thể đóng băng, đều xảy ra khi khối không khí lạnh từ áp cao Xibia tràn xuống mạnh và kéo dài nhiều ngày liên tiếp. Ngư dân và nông dân miền Bắc luôn theo dõi sát các bản tin gió mùa đông bắc để chủ động che chắn cây trồng, vật nuôi.

Nhiều người nghĩ gió mùa đông bắc chỉ đơn giản là "gió lạnh thổi từ phía bắc xuống" một cách ngẫu nhiên, nhưng thực chất nó là một hệ thống thời tiết quy mô lục địa, bắt nguồn từ một khối không khí khổng lồ hình thành do sự nguội lạnh của cả vùng đất liền châu Á, không phải cơn gió cục bộ. Cũng có người tưởng miền Nam không lạnh vì "ở xa phía bắc", trong khi lý do chính xác hơn là khối khí lạnh đã suy yếu nhiều và bị chặn lại một phần bởi địa hình núi trước khi tới được đó.