异常宇宙线主要为带单个电荷的离子，包括氦、氮、氧、氖等具有高电离势能的成分，以及少量的碳和氢等。这些离子的能谱呈现一个隆起状结构。

异常宇宙线的强度有27天和11年周期变化，幅度都超过银河宇宙线的调制变化。在太阳活动极大年，太阳极区磁场的极性反转，异常宇宙线强度大幅度减少。它们的强度随离太阳距离和距日面纬度的增大而增加，径向空间梯度超过银河宇宙线。

通常认为异常宇宙线源自星际中性原子。星际中性成分不会受日球层磁场的阻挡作用，可以进入到日球层中甚至飞至接近太阳的位置。在行进途中，特别是在大约距离太阳1～3天文单位（Astronomical Unit; AU），这些中性原子可以被太阳紫外线照射引起光致电离，或者与太阳风粒子碰撞交换电荷，变成带单个电荷的离子，从而被行星际磁场拾取，随着径向向外流动的太阳风一起运动，直至到达日球层终止激波。在终止激波处，这些拾取离子可以被加速约10兆电子伏特的能量。被加速后的离子最终从终止激波处逃逸，并扩散至内日球层中，形成异常宇宙线。