Une inversion thermique est une anomalie dans le profil vertical de température de l'atmosphère : au lieu de la diminution normale (~6,5 °C/km dans la troposphère), la température augmente avec l'altitude dans une couche déterminée. Cette couche agit comme un plafond empêchant le mélange vertical de l'air et piégeant en dessous tout ce qui s'y trouve : humidité, polluants, fumée, poussière et brouillard.
Les inversions les plus fréquentes sont les inversions nocturnes par rayonnement : lors de nuits dégagées et sans vent (situation anticyclonique), le sol perd rapidement de la chaleur par rayonnement infrarouge et refroidit l'air à son contact, tandis que la couche immédiatement supérieure reste plus chaude. Dans des villes comme Madrid, Barcelone ou Mexico, les inversions hivernales piègent la pollution et dégradent drastiquement la qualité de l'air (niveaux élevés de NO₂, PM2,5 et PM10).
Les inversions à plus haute altitude (inversion de subsidence d'un anticyclone) peuvent être plus étendues et persistantes, couvrant des régions entières pendant des semaines en hiver. La fameuse mer de nuages observée depuis les montagnes est produite par une inversion : les stratocumulus restent piégés sous le niveau d'inversion tandis que les sommets profitent du soleil. Les inversions limitent aussi la formation d'orages : si la couche d'inversion est forte, elle empêche les cumulonimbus de se développer.