Nguyên nhân cơ bản là do các ‘đám mây lạnh’ thiết lập trên tầng bình lưu, hình thành từ hơi nước bị hút từ mọi nơi để tụ về hai cực của Trái Đất dưới tác động của một loại gió gọi là ‘gió xoáy địa cực’ trong tiến trình quay của Trái Đất. Cả hơi nước lẫn mây đều là môi trường hấp thụ các chất như: các hợp chất cácbon của clo và flo (CFC - chlorofluorocacbons) cũng như các chất hóa học gây suy giảm tầng ôzôn khác như tetraclorit cácbon, các hợp chất của brôm (halon), methylchloroform và vv…
Như ta biết ôzôn trong bầu khí quyển được tạo thành khi các tia cực tím chạm phải các phân tử ôxy (O2), chứa hai nguyên tử ôxy, tạo thành hai nguyên tử ôxy đơn, được gọi là ôxy nguyên tử. Ôxy nguyên tử kết hợp cùng với một phân tử ôxy tạo thành ôzôn (O3). Phân tử ôzôn có hoạt tính cao, khi bị tia cực tím chạm phải, lại tách ra thành phân tử ôxy và một ôxy nguyên tử, một quá trình liên tục gọi là chu kỳ ôxy-ôzôn. Còn khi ôzôn gập CFC hoặc Cl, …, thì nó bị phá hủy.
Các phản ứng trong các đám mây lạnh của tầng bình lưu ở địa cực rất quan trọng. Các đám mây này chỉ tạo thành trong nhiệt độ rất lạnh (phải đến -80°C). Tầng bình lưu ở Nam Cực lạnh hơn ở Bắc Cực vì thế mà các lỗ thủng ôzôn hình thành ở Nam Cực lớn hơn các lỗ thủng tầng ôzôn ở Bắc Cực. Ở các vĩ độ trung bình, thường người ta hay nói giảm sút ôzôn thay vì lỗ thủng ôzôn.
Lỗ thủng ôzôn xuất hiện to nhất và rõ nhất vào mùa xuân ở Nam Cực, từ tháng 9 cho đến đầu tháng 12, khi gió tây mạnh bắt đầu thổi tuần hoàn trên lục địa Nam Cực, đưa hơi nước về để tạo nên các đám mây lạnh lơ lửng trong tầng bình lưu của châu lục này.