Las nubes noctilucentes se forman a una altitud próxima a la mesopausa. Estas nubes que brillan durante la noche solo son visibles en el cielo crepuscular o nocturno unos pocos meses durante el verano, y solo para los observadores terrestres que se encuentren en latitudes medias a altas, aproximadamente entre 50 grados y 65 grados norte y sur. Raramente pueden divisarse en latitudes inferiores a 45 grados, y la luz diurna estival o los crepúsculos brillantes impiden que se observen en altitudes superiores a 75 grados. Este tipo de nubes se observa habitualmente en la temporada comprendida entre mediados de mayo y mediados de agosto en el hemisferio norte, y entre mediados de noviembre y mediados de febrero en el hemisferio sur. La incidencia de las nubes noctilucentes tiende a incrementarse justo antes del solsticio de verano en cada hemisferio hasta unas pocas semanas después de este.
Se cree que las nubes noctilucentes conforman el “borde rasgado” de una capa mucho más extensa de nubes mesosféricas polares. Si bien las nubes noctilucentes no son visibles desde la superficie de la Tierra en latitudes polares, sí es posible observarlas desde satélites y vehículos espaciales pilotados en órbita alrededor de la Tierra. Se ven de lado sobre el fondo del cielo oscuro, y su brillo y frecuencia aumentan con la latitud hacia los polos.
Las nubes noctilucentes se observan sobre el fondo del cielo oscuro cuando el Sol está muy por debajo del horizonte pero estas nubes de gran altitud todavía están iluminadas por la luz solar. Empiezan a ser visibles aproximadamente al mismo tiempo que aparecen los astros de primera magnitud. Para verlas, el observador debería disfrutar de una visión despejada del horizonte hacia el sector crepuscular del cielo. Por lo general las nubes noctilucentes serán visibles cerca del horizonte y habitualmente se extenderán hasta unos 15 grados y 20 grados sobre el horizonte a lo largo del arco crepuscular. Pueden alcanzar mayor altura, a veces por encima del cenit, especialmente cuando empiezan a verse y antes de desaparecer. En torno a la medianoche local, cuando las nubes apenas están iluminadas, las nubes noctilucentes perderán su brillo y se retirarán hacia el horizonte septentrional en el hemisferio norte, y el horizonte meridional en el hemisferio sur.