A Camada de Inversão Térmica consiste em um fenômeno meteorológico que ocorre principalmente em metrópoles e principais centros urbanos. As radiações solares, durante o dia, aquecem o solo e o calor que fica retido no mesmo. Já durante a noite, irradia-se, aquecendo as camadas mais baixas da atmosfera. Essas camadas, devido sua temperatura mais elevada, ficam menos densas e sobem, formando correntes de convecção do ar.
Num primeiro momento, a camada de temperatura elevada sobe e passa pela camada de ar frio e esta, por sua vez, por ser mais densa, se mantém embaixo. Diante disso se forma uma camada de ar frio embaixo, uma camada de ar quente no meio e a razoável altitude e, finalmente, uma outra camada de ar frio acima da quente e a grande altitude. A camada de ar quente acaba servindo como uma espécie de "capa" que não deixa, por exemplo, que os gases poluentes e tóxicos passem para as camadas mais altas da atmosfera. A isso dá-se o nome Camada de Inversão Térmica.
Essa "capa" da Camada de Inversão Térmica tem também a capacidade de reflexão e refração de raios luminosos. Quando o ponto de vista do observador está por baixo desta camada de ar quente, os raios de luz de corpos situados na superfície passam através da camada de ar frio inferior, atingindo a camada de ar quente superior. Ao atingir a camada mais quente, sofrem refração e reflexão, sendo que parte deles é refletido para baixo. O observador acredita ver no céu uma imagem que realmente se encontra na superfície. Os faróis de um carro, por exemplo, devido à topografia do terreno no local, o observador não vê o carro, mas vê no céu o reflexo dos faróis bamboleando.Esse fenômeno ocorre geralmente nos dias frios do inverno, onde a formação de frentes frias é maior. Quando há deslocamento horizontal dos ventos, a camada de ar frio é carregada e a camada de ar quente desce, extinguindo o fenômeno da Inversão Térmica