平流层非常干燥，因此常常无云。极地冬天持续几个月的时间没有阳光，导致15～20千米的平流层大气温度能够降低到183开以下。在如此低的温度下，即使很少的水汽量也能够凝结形成极地平流层云，即极地地区刚有太阳光时，看到的一条条纤细的、粉色或者绿色的云。

极地平流层云的组成不光是水形成的冰晶。平流层内氮氧化物含量相当丰富。在极夜期间，平流层氮氧化物会形成大量储库分子，包括较高的硝酸（HNO₃）等。极地平流层云可以分为两种，当气温下降至195开，较稳定的HNO₃·3H₂O就会包围住直径约0.1微米的硫酸微粒，形成直径约1微米的颗粒，成为极地平流层云的主体。如果气温继续下降至190开以下，平流层中水汽直接发生凝结，冰晶颗粒可以长大到粒径到10微米，这是第二种类型。由于颗粒较大，因此数目较少，但是这样的大颗粒将容易沉降到对流层而去除。

解释南极臭氧洞的发生机制，真正取得突破的是，当科学家们意识到极地平流层云能够为含卤素储库气体提供反应平台，从而使这些储库气体发生快速的化学转化，导致活性氯、溴等气体的产生，通过氯循环和溴循环等机制快速消耗臭氧。

极地平流层中，臭氧消耗的两个非常重要的物理因素是极低气温和太阳辐射，两者缺一不可。低气温是形成极地平流层云的必要条件，极地平流层云为储库气体的异相化学反应提供反应表面。这些异相化学反应的发生能够导致氯气、次氯酸（HOCl）和硝酰氯 (ClNO₂)等的形成。而太阳辐射则是氯气、次氯酸和硝酰氯发生光解形成氯原子的必要条件。当太阳辐射开始出现时，氯气、次氯酸和硝酰氯发生快速光解，释放出氯(Cl)原子，氯原子与臭氧发生反应产生一氧化氯(ClO)。而在南极臭氧洞发生的春季，同时具备太阳辐射和极低温的条件。在初始阶段，一氧化氯会发生积聚，一旦一氧化氯的浓度变得足够高，其消耗臭氧的催化反应便会开始发生。