Les nuages nocturnes lumineux sont généralement observés pendant les périodes de crépuscule, lorsque le Soleil se trouve entre 6 et 16 degrés au-dessous de l'horizon de l'observateur, et offrent une visibilité optimale lorsque le Soleil est situé à environ 10 degrés au-dessous de l'horizon. Lorsque le Soleil se trouve à moins de 6 degrés au-dessous de l'horizon, le fond du ciel est trop clair pour qu'une manifestation modérée puisse être observée, et lorsque le Soleil est à plus de 16 degrés au-dessous de l'horizon, l'étage auquel les nuages se forment n'est plus éclairé par les rayons solaires. Les nuages nocturnes lumineux peuvent (à peine) être détectés lorsque le Soleil se situe entre 2 et 6 degrés au-dessous de l'horizon, mais à ces heures, il est difficile de les distinguer de cirrus élevés.
Par ciel dégagé, il est facile d'identifier des nuages nocturnes lumineux bien développés, même pour un observateur profane. Toutefois, des incertitudes peuvent apparaître lorsque les nuages examinés ont un aspect terne et ne présentent pas une structure détaillée. L'identification est rendue encore plus difficile lorsque ces nuages sont obscurcis par des nuages troposphériques. En cas de doute, l'observateur doit vérifier que l'objet n'est pas une aurore, ou un nuage troposphérique ou une traînée de condensation éclairés par le Soleil ou par la Lune.
Trois caractéristiques différencient clairement les nuages nocturnes lumineux des nuages troposphériques: leur visibilité nocturne, leur couleur blanc-bleu reconnaissable, et le fait qu'ils disparaissent quand l'aube se lève, au début du crépuscule civil. Lorsque ces nuages ont un éclat éblouissant, ils ne peuvent que susciter l'admiration de l'observateur profane qui les identifie aisément. Au crépuscule après le coucher du Soleil, les nuages nocturnes lumineux apparaissent d'abord sous l'aspect de nuages grisâtres, puis bleu pâle et, à mesure que le temps passe, ils deviennent de plus en plus brillants; ils finissent par prendre une teinte blanc bleuâtre analogue à celle de l'argent terni, blanc perlé ou bleu électrique. Parfois, lorsqu'ils s'approchent de l'horizon, ils se colorent de teintes dorées, rougeâtres, ou verdâtres. À certaines occasions, ils présentent un bord supérieur rouge.
À minuit, les nuages nocturnes lumineux peuvent être vus plutôt bas à l'horizon nord (dans l'hémisphère Nord), ou à l'horizon sud (dans l'hémisphère Sud). Lorsque le lever du Soleil est proche, ils peuvent apparaître sur une surface du ciel plus étendue, avant de disparaître à l'aube.
Les observations suivantes fournissent des renseignements utiles pour identifier les nuages nocturnes lumineux: