蘑菇雲的形成原理主要涉及爆炸過程中產生的熱能和壓力變化。當一個爆炸（如核爆炸）發生時，會產生極高溫度和壓力，這些能量迅速加熱周圍的空氣，導致空氣膨脹並上升。由於熱脹冷縮的原理，高溫空氣上升後，其密度會減小，而周圍較冷的空氣則被推向四周。
在爆炸中心，由於壓力迅速降低，會形成一個近似真空的狀態，這個區域會強烈吸引周圍的空氣和物質，形成蘑菇雲的「莖」部分。隨著這些熱空氣上升到高空，它們會開始冷卻並逐漸失去上升的動力，最終在頂部形成一個較大的雲團，形成蘑菇雲的「頂」部分。
蘑菇雲的形成不僅限於核爆炸，火山爆發或小行星撞擊等高能量爆炸也可能產生類似的蘑菇狀雲團。