在一定的温度条件下，空气中水汽的含量达到最大限度，水的不同相态（固、液、气）之间可以相互转化。当温度降低时，处于饱和的水汽出现过饱和现象，它们极易凝结在悬浮的微尘上，并形成冰晶。
之后，冰晶不断吸附周围水汽而变大，冰晶附近的水汽不断减少。这样，靠近冰晶处的水汽密度就低于离它远的地方，产生相对高的水汽压梯度。水汽就在梯度压力的推动下，从冰晶周围逐渐运移至冰晶所在处。运动的水汽分子首先遇到冰晶的各个角棱和凸出部分，并在这里凝华而成为冰晶的一部分。
就这样，冰晶的角棱不断增长，逐渐成为枝叉状。之后又因为同样的机理，在各个枝叉和角棱处长出新的小枝叉来，星状雪花逐渐形成。
雪花的形状很大程度上取决于云层中的温度和湿度。要知道温湿度如何影响雪花的形状，就不得不提日本的一个物理学家中谷宇吉郎（Ukichiro Nakaya），他早在20世纪30年代就通过试验室培育雪花发现了不同雪花形成的规律，并制作了雪花形态图表。
从图中可以看到在任何给定温度和饱和水平条件下形成雪花的主要类型。最大的最上镜的六瓣星状雪花只生长在云层温度在-15℃左右的狭窄温度范围内，针叶和柱状物雪花最常形成于-6℃左右的云层中。当云层湿度较高时，会长出更精致的树枝状雪花晶体，湿度较低则易形成简单的板状或者柱状晶体。
目前，尽管研究人员一直在研究预测雪花晶体形状的理论方程，但我们仍然不知道形成特定形状背后的精确变量。多年来，雪花晶体可以分类的种类数量一直在稳步增加，在20世纪30年代的早期研究中，它们被分为21个不同的基于形状的类别；在20世纪50年代，这个类别扩大到42个类别，在20世纪60年代扩大到80个类别，2013年扩大到惊人的121个类别。
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