Toplinski otoci nastaju zbog upijanja sunčeve energije u zgradama i asfaltiranim površinama te zbog dodatne topline proizvedene industrijom, prometom, grijanjem i hlađenjem. Također, u gradu nedostaju vegetacija i vodene površine koje bi uravnoteživale temperaturu zraka.

Gotovo svaki grad prati pojava toplinskih otoka, ali u kojoj mjeri će se razviti ekstremne vrućine, ovisi o više činitelja npr. klimatskim uvjetima, prevladavajućim vjetrovima, vrsti terena, tipu gradnje, veličini grada, itd, kaže Maja Žuvela-Aloise, ekologinja u Središnjem institutu za meteorologiju i geodinamiku u Beču.

Što je grad veći, toplinski otok je prošireniji. Isto tako, ako je grad vrlo kompaktan i bez vegetacije, toplinski otok je izraženiji. Veliki gradovi, na primjer Pariz, London ili Tokio, imaju i po nekoliko stupnjeva više temperature od okolice, s tendencijom porasta zbog širenja gradova, dodaje ona.

Serija toplinskih valova iz 2003. prouzrokovala je u 12 zemalja Zapadne Europe smrt 80 tisuća ljudi, jer ekstremne temperature i toplinski valovi stvaraju opterećenje za ljudski organizam, a povezani su s onečišćenjem zraka kroz stvaranje povišenog prizemnog ozona te su posebno opasni za ljude osjetljivog zdravlja, starije osobe i djecu.