烏雲之所以呈現黑色，主要原因是雲中的小水珠對光線產生了折射和散射作用。當雲層變得足夠厚時，光線由於漫反射而無法透過雲層，這使得我們看到的雲呈現黑色。與之相比，在晴朗的天氣下，雲層較薄，水汽結合成的水珠較小，光線主要以散射爲主，因此雲看起來是白色或灰色。
當雲層變厚，特別是含有大量水珠和可能冰晶時，光線在穿過雲層時會發生更多的折射和散射，導致大量光線被吸收或散射掉，使得進入人眼的光線變得很少，因此雲看起來很暗，甚至呈現灰黑色。
此外，烏雲的底部通常比較黑，而云層較薄的邊緣因爲陽光可以透過而顯得比較白。如果在飛機上觀察烏雲，會發現下面的“烏雲”實際上是白色的。這表明烏雲的顏色也與周圍環境有關，例如高空雲層作爲背景擋住部分陽光，或者低空小片雲朵在明亮天空背景的襯托下顯得比較黑。