Mưa hình thành từ hơi ẩm được gió mang tới một khu vực rồi ngưng tụ thành mây; khi các luồng gió và áp suất khí quyển thay đổi bất thường trong một thời gian dài, hơi ẩm có thể bị đẩy đi nơi khác hoặc không đủ mạnh để tạo mây mưa ở khu vực đó nữa. Ban đầu, đất mất dần độ ẩm và cây cối bắt đầu héo; nếu tình trạng thiếu mưa kéo dài thêm nhiều tuần, nhiều tháng, sông suối cạn nước, hồ chứa hạ thấp và mực nước ngầm cũng tụt xuống vì không được bổ sung. Hạn hán vì vậy không phải một cơn thời tiết đơn lẻ mà là sự tích luỹ của tình trạng thiếu hụt nước kéo dài.

Nguyên nhân trực tiếp thường là sự thay đổi bất thường của các luồng gió khí quyển ở tầng cao hoặc kiểu áp suất, khiến những vùng vốn thường xuyên nhận được mây mưa bỗng bị "chặn" bởi khối khí khô, ổn định kéo dài, thường liên quan tới hiện tượng El Nino hoặc các dao động khí hậu khác. Bên cạnh đó, phá rừng làm giảm khả năng giữ ẩm và tái tạo mưa của một vùng, còn tình trạng nóng lên toàn cầu khiến nước bốc hơi nhanh hơn từ đất và cây trồng, làm hạn hán trở nên khắc nghiệt hơn dù lượng mưa không giảm nhiều. Việc con người khai thác nước ngầm và nước mặt quá mức để tưới tiêu, sinh hoạt trong giai đoạn thiếu mưa cũng khiến tình trạng cạn kiệt nước trầm trọng hơn, biến một đợt thiếu mưa tự nhiên thành khủng hoảng nước nghiêm trọng.

Đồng bằng sông Cửu Long từng trải qua đợt hạn hán nghiêm trọng vào mùa khô 2015-2016 và 2019-2020, khi lượng mưa và lượng nước từ thượng nguồn sông Mê Kông đổ về giảm mạnh, khiến nước mặn từ biển xâm nhập sâu vào đất liền hàng chục ki-lô-mét, gây thiệt hại lớn cho lúa và cây ăn trái. Ở châu Phi, vùng Sừng châu Phi từng hứng chịu nhiều năm liên tiếp gần như không có mưa vào đầu những năm 2020, đẩy hàng triệu người vào cảnh thiếu lương thực nghiêm trọng vì mùa màng và vật nuôi không có nước.

Nhiều người nghĩ hạn hán chỉ đơn giản là "một mùa không mưa", nhưng các nhà khí tượng định nghĩa hạn hán dựa trên sự thiếu hụt kéo dài so với mức trung bình nhiều năm của chính khu vực đó, nên một vùng vốn ít mưa quanh năm như sa mạc không được coi là "hạn hán" trừ khi nó còn khô hơn cả mức bình thường của chính nó. Cũng có người cho rằng hạn hán chỉ do thiếu mưa gây ra, trong khi việc con người khai thác nước quá mức và nhiệt độ tăng làm bốc hơi nhanh hơn cũng góp phần không nhỏ làm hạn hán trầm trọng thêm.