Por regla general, las nubes noctilucentes se observan en los períodos crepusculares cuando el Sol se encuentra entre 6 grados y 16 grados por debajo del horizonte del observador, y ofrecen la mejor visibilidad cuando el Sol se sitúa a unos 10 grados por debajo del horizonte. Cuando el Sol está a menos de 6 grados por debajo del horizonte, el fondo del cielo es demasiado brillante e impide ver las nubes moderadas, y cuando el Sol se sitúa a más de 16 grados por debajo del horizonte ya no llegan los rayos del Sol al nivel en el que se forman las nubes. Es posible que las nubes noctilucentes brillantes solo puedan detectarse cuando el Sol se encuentra entre entre 2 grados y 6 grados por debajo del horizonte, pero en esos momentos resulta difícil distinguirlas de Cirrus altos.
Cuando se producen manifestaciones brillantes y bien desarrolladas de nubes noctilucentes en condiciones de cielo despejado es fácil identificarlas, incluso si el observador es inexperto. Sin embargo, pueden surgir dificultades para identificar nubes noctilucentes débiles y que carecen de definición estructural. Su identificación es aún más difícil cuando las nubes quedan ocultas por nubes troposféricas. En caso de duda, el observador debería asegurarse de que el objeto observado no se trata de una aurora, una nube troposférica iluminada por el Sol o la Luna, o una estela de condensación.
Lo que diferencia visualmente a las nubes noctilucentes de las nubes troposféricas es su visibilidad durante la noche, su evidente color azul y blanco y el hecho de que desaparezcan al amanecer, casi al comienzo del crepúsculo civil. Las manifestaciones brillantes pueden ser impresionantes y muy obvias para un observador casual. En el crepúsculo, tras el ocaso, las nubes noctilucentes presentan en un primer momento un color grisáceo o azul apagado y, a medida que transcurre el tiempo, se vuelven cada vez más y más brillantes y adquieren un tono blanco azulado como la plata deslustrada, blanco nacarado o azul eléctrico. A veces el color tiene tintes dorados, rojizos o verdosos cuando las nubes se encuentran cerca del horizonte. En algunas ocasiones las nubes pueden presentar un borde superior rojo.
A medianoche pueden observarse nubes noctilucentes más bien bajas en el horizonte septentrional (en el hemisferio norte) o bajas en el horizonte meridional (en el hemisferio sur). A medida que se aproxima el amanecer, pueden observarse en una mayor extensión de cielo, antes de desaparecer al rayar el día.
Las observaciones siguientes servirán de ayuda para identificar las nubes noctilucentes: