Les conditions d'apparition des cumulonimbus sont analogues à celles qui sont favorables au développement des cumulus congestus. La transformation d'un cumulus congestus en cumulonimbus est due à l'apparition de particules de glace dans sa région supérieure. La présence de particules de glace est flagrante lorsqu'une partie ou l'ensemble de la région supérieure perd la netteté de ses contours ou présente une texture fibreuse ou striée.
Les cumulonimbus peuvent se présenter soit isolément, soit disposés en une file continue, semblable à une immense muraille.
Dans certains cas, la région supérieure des cumulonimbus peut être mêlée à la masse d'un cumulus congestus ou d'un nimbostratus. Des cumulonimbus peuvent également se développer au sein même de la masse nuageuse d'un altostratus ou d'un nimbostratus.
Des nuages annexes, bas et déchiquetés (pannus) apparaissent souvent au-dessous des cumulonimbus; d'abord séparés les uns des autres, ces nuages peuvent par la suite se souder et constituer une couche continue atteignant, par endroits ou sur toute son étendue, la base du cumulonimbus.
Les cumulonimbus peuvent être décrits comme de véritables «fabriques de nuages»; ils peuvent, en effet, donner naissance à des nappes ou à des bancs, plus ou moins épais, de cirrus spissatus, d'altocumulus, d'altostratus ou de stratocumulus, par étalement de leurs régions supérieures et par dissipation de leurs parties sous-jacentes. L'étalement de la région la plus élevée d'un cumulonimbus aboutit habituellement à la formation d'une enclume; lorsque le vent croît fortement avec l'altitude, le sommet du nuage ne s'étale que dans le sens du vent, prenant ainsi la forme d'une demi-enclume ou, dans certains cas, d'un vaste panache.
Les cumulonimbus sont rares dans les régions polaires; ils sont plus fréquents dans les régions tempérées et tropicales.
Les cumulonimbus peuvent se développer sous l'effet de la convection due à la chaleur produite par les incendies de forêts, les feux incontrôlés ou les éruptions volcaniques. Ceux qui se sont clairement formés à partir de sources de chaleur naturelles localisées prennent le nom de toute espèce, variété ou particularité supplémentaire appropriée, suivi de flammagenitus.