Durch dichte Bebauung, Industrie und Verkehrsaufkommen sind die Innenstädte ständig wärmer als das unbebaute Umland.

In klaren Nächten betragen die Temperaturunterschiede je nach Stadt zwischen 2 und 5 Grad im Verhältnis zum Umland. In Megastädten wie New York können auch Unterschiede von über 10 Grad entstehen.

In der Großstadt Köln beträgt der Temperaturunterschied zwischen der Innenstadt und dem Umland an einem klaren Sommerabend 5 Grad.

Jede Stadt hat ihr ganz individuelles Stadtbild. Abhängig von ihrer Bauweise, Größe und Lage (Küste, Tal oder Hang) spielt etwa auch die Anzahl und Verteilung von Grünflächen eine Rolle, von welcher Qualität das Stadtklima ist.

Die thermische Stadtklimaausprägung einer einzelnen Stadt wird bei Hochdrucklagen meist als "horizontale Differenz der Lufttemperatur zwischen Zentrum und Umland" (T = TS - TU) angegeben. Meist ist in diesem Zusammenhang die Rede von einer Wärmeinsel.

Im eigentlichen Sinne ist dieser Begriff nicht ganz korrekt, da es unterschiedlich miteinander verbundene Überwärmungen des Stadtgebietes sind, die sich in einem urbanisierten Gebiet zeigen. So besteht etwa keine lineare Zunahme der Temperatur vom Umland zur Stadtmitte. Vielmehr ändert sich die Temperatur zur Stadtmitte oft sehr plötzlich.

Die Intensität der Wärmeinsel einer Stadt schwankt. So ist sie in den Abendstunden am stärksten, da die Gebäude die über den Tag gespeicherte Wärme nur langsam wieder an die Umgebung abgeben. Bis zum Morgen wird der Unterschied immer geringer.

Nichtsdestotrotz ist es auch am morgen in der Stadt noch wärmer als im Umland. Dieses wärmt sich dann im Tagesverlauf häufig etwas rascher auf als die Stadt. Am Nachmittag liegen beide Gebiete auf etwa dem selben Niveau mit der leichten Tendenz zu höheren Stadttemperaturen.

Im Laufe des Jahres ist die Zunahme der Intensität der Wärmeinsel besonders in der ersten Jahreshälfte auffällig. Im Winter gibt es sie zwar auch, aber deutlich weniger ausgeprägt.

Ursachen für das Auftreten der Wärmeinseln sind unterschiedliche meteorologische und bauliche Faktoren sowie die Abwärmeproduktion.