Una inversión térmica es una anomalía en el perfil vertical de temperatura de la atmósfera: en lugar del descenso normal (~6,5 °C/km en la troposfera), la temperatura aumenta con la altitud en una capa determinada. Esta capa actúa como un techo que impide la mezcla vertical del aire y atrapa debajo todo lo que hay: humedad, contaminantes, humo, polvo y niebla.
Las inversiones más frecuentes son las nocturnas por radiación: en noches despejadas y con viento en calma (situación anticiclónica), el suelo pierde calor rápidamente por radiación infrarroja y enfría el aire en contacto con él, mientras que la capa inmediatamente superior permanece más caliente. En ciudades como Madrid, Barcelona o Ciudad de México, las inversiones invernales atrapan la contaminación y reducen drásticamente la calidad del aire (altos niveles de NO₂, PM2.5 y PM10). Los fondos de valle son especialmente propensos porque el aire frío se desliza por las laderas y se acumula abajo.
Las inversiones a mayor altitud (inversión de subsidencia de un anticiclón) pueden ser más extensas y persistentes, cubriendo regiones enteras durante semanas en invierno. El famoso mar de nubes que se observa desde las montañas está producido por una inversión: los estratocúmulos quedan atrapados bajo el nivel de inversión mientras que las cumbres disfrutan de sol. Las inversiones también limitan la formación de tormentas: si la capa de inversión es fuerte, impide que los cumulonimbus se desarrollen, pero si una tormenta logra romper la inversión, puede ser excepcionalmente violenta.