沃克环流最早由挪威-美国气象学家J.皮耶克尼斯在1969年提出，他认为这一环流和早先G.T.沃克所称的南方涛动有密切联系，故称之为沃克环流。

在赤道东太平洋地区，由于秘鲁寒流带来了冷海水，以及表面东风所引起的厄瓜多尔和秘鲁沿岸的海水上翻，形成了一条从南美西岸沿赤道向西伸延的冷水舌。同时，赤道太平洋表面常年盛行东风（见热带信风），将太平洋表层暖海水吹向西太平洋，使得西太平洋成为一个暖池。赤道区太平洋西部和东部海水之间由此出现很大的温度差异。西太平洋是太平洋降水最为丰富的地区，对流活动极为旺盛。通过海洋对大气的加热作用，就使暖空气在西太平洋一带上升到高层之后，一部分向东流动到达中、东太平洋冷水区上空下沉，在低层转而向西流动，增强了赤道太平洋大气低层的东风气流，形成了一个热力直接环流。这就是赤道太平洋地区的沃克环流。

在正常年份，太平洋大气低层东部气压高、西部气压低，低层的东风气流从高压区流向低压区，从东边来的空气流到西太平洋正好补偿了因上升而流失的空气。而高空的情况与低层相反。当厄尔尼诺发生时，由于海洋温度东西分布发生巨大变化，大气环流也会进行相应的调整。中、东太平洋气压随着海温的上升而下降（高压减弱、气压降低），西太平洋气压随着海温的下降而上升（低压减弱、气压升高），赤道东风减弱，沃克环流也会被削弱。同时，随着西太平洋暖水区向东移动，沃克环流的上升支和下沉支的位置也发生偏移，对流活动的中心移至中太平洋上空，中、东太平洋上升气流大大加强，降水显著增加；而西太平洋上升气流明显减弱，降水显著减少。当拉尼娜发生时，东太平洋变得更冷，赤道西太平洋海温可能会进一步升高，海洋表面的东西热力差异加剧，沃克环流会比正常情况更强，西太平洋也会更多雨，而东太平洋则更加少雨。沃克环流把南方涛动和赤道太平洋的海表温度联系在一起，其强度和位置也呈现显著的年际变化。

事实上，在赤道附近的大西洋和印度洋地区，也都存在与沃克环流类似的东西向热力环流。大西洋与太平洋的沃克环流方向相同。印度洋上由于东暖西冷的海温分布，其环流的方向和太平洋相反：暖空气在印度尼西亚岛屿和东印度洋一带上升，到高层向西流动，在西印度洋下沉，到低层之后再向东流。