Dòng đối lưu xảy ra do sự chênh lệch mật độ giữa chất lỏng nóng và lạnh. Chất lỏng được làm nóng từ bên dưới sẽ nở ra và tăng lên. Khi chất lỏng này trở nên nguội, nó sẽ co lại và chìm xuống. Chu kỳ giãn nở và co lại liên tục này tạo ra các tế bào đối lưu.
Đối lưu là một trong ba phương pháp truyền nhiệt duy nhất liên quan đến chuyển động của vật chất. Hai phương pháp còn lại, dẫn truyền và bức xạ, truyền nhiệt giữa các hạt môi trường tương đối tĩnh hoặc không cần môi trường tương ứng.
Sự giảm mật độ đi kèm với sự nóng lên được giải thích bằng định luật khí lý tưởng. Ở áp suất không đổi, nhiệt độ của một chất khí tỷ lệ thuận với thể tích của nó. Khi nhiệt độ tăng, động năng của các phân tử hay nguyên tử khí cũng tăng theo. Các phân tử khí này càng có năng lượng thì chúng chuyển động càng nhanh. Giả sử thời gian trung bình không đổi cho các vụ va chạm giữa các phân tử khí, tốc độ tăng lên tương ứng với khoảng cách trung bình lớn hơn di chuyển giữa các va chạm, tương ứng với một thể tích lớn hơn được chiếm bởi cùng một số phân tử.
Bởi vì thể tích tỷ lệ nghịch với mật độ đối với cùng một khối lượng, sự gia tăng thể tích khi nhiệt độ tăng tương ứng với sự giảm đi của mật độ. Chất lỏng ít đặc hơn nổi lên trên chất lỏng đậm đặc hơn, vì vậy chất khí nóng hơn, nhẹ hơn nổi trên chất khí lạnh hơn, đặc hơn. Các nguyên tắc tương tự có thể được áp dụng cho chất lỏng, chất lỏng ít giãn nở hơn và co lại ít hơn khi làm nóng và làm lạnh tương ứng.
