Sa mạc có thể ở nhiều dạng, từ các đồi cát cuốn, hẻm núi đá, thảo nguyên cây ngải đắng, cho tới các dải băng địa cực. Nhưng có một điểm chung là các sa mạc đều có ít mưa. Thường thì những nơi có lượng mưa dưới 250mm mỗi năm được coi là sa mạc. Điều này cũng có nghĩa là sa mạc rất khô. Nhưng tại sao một số nơi trên Trái đất lại nhận được rất ít mưa so với những nơi khác? Hay nói cách khác, vì sao sa mạc lại khô?
Theo các nhà khoa học, cách không khí toàn cầu lưu thông là nguyên nhân chính. Mặt trời chiếu xuống Trái đất mạnh nhất ở đường xích đạo, làm không khí ở đó nóng lên và nước bốc hơi. Luồng không khí nóng và khô này di chuyển về phía các địa cực, rồi có xu hướng hạ xuống ở gần vĩ tuyến 30.
Hướng lưu thông này được gọi là vòng hoàn lưu Hadley, tạo ra gió mậu dịch, giúp những người đi biển thời xưa khám phá Trái đất. Hoàn lưu Hadley cũng là lí do tại sao các sa mạc lớn nhất lại nằm ở các vĩ tuyến trung bình này, chẳng hạn như sa mạc Sahara và sa mạc Gobi ở Bắc bán cầu, hay sa mạc Kalarahi ở Nam bán cầu.
Song câu chuyện còn phức tạp hơn thế. Các hướng gió tương tác với địa hình cũng ảnh hưởng đến sự hình thành sa mạc. Ví dụ, không khí thổi vào từ đại dương và gặp một dãy núi thì sẽ đi lên và giải phóng độ ẩm dưới dạng mưa hay tuyết lên sườn núi. Bởi vậy khi vượt qua đỉnh núi và hạ xuống sườn bên kia, không khí đã thành khô. Như ở California, Mỹ thì sa mạc Mojave nằm ở vùng bóng mưa (rain shadow) của dãy Sierra Nevada.
Đôi khi, các vùng sâu trong đất liền trở nên khô hơn vì nằm xa những vùng nước lớn đến nỗi không khí từ những vùng nước thổi đến nơi thì đã mất hết hơi ẩm. Đây là điều diễn ra ở sa mạc Gobi tại Trung Á, nó cũng bị chắn bởi dãy Himalayas.
Mặt khác, vùng ven biển cũng không nhất thiết là nơi ẩm ướt. Các dòng hải lưu lạnh gặp không khí thổi vào ven biển thì có thể tạo ra sương mù. Khi sương mù di chuyển vào đất liền, hơi ẩm lưu lại trong không khí chứ không tạo thành mưa. Hiện tượng này có thể tạo ra các sa mạc ven biển, chẳng hạn như sa mạc Atacama ở Chile, một trong những vùng khô nhất Trái đất.
Sa mạc cũng không nhất thiết phải nóng, như các sa mạc ở Bắc cực và Nam cực. Không khí lạnh không thể chứa nhiều hơi ẩm như không khí ấm. Do đó, nhiệt độ thấp ở các cực dẫn tới rất ít mưa, mặc dù có nhiều nước được lưu dưới đất ở dạng băng tuyết.
Khi các kiểu khí hậu toàn cầu thay đổi, sa mạc cũng di chuyển. Ví dụ, hàng ngàn năm trước đây, sa mạc Sahara đã từng có các đồng cỏ và rừng nhiệt đới. Ngày nay, biến đổi khí hậu đang định hình lại ranh giới của các sa mạc khắp nơi trên thế giới.
Theo các nhà khoa học, do biến đổi khí hậu, vùng hoàn lưu Hadley sẽ trải dài thêm ra hai phía bắc và nam. Điều này có nghĩa là mở rộng khu vực có khả năng trở thành sa mạc. Nhiệt độ cao hơn cũng có thể đẩy nhanh sự lan rộng này qua việc làm nước bốc hơi và làm khô không khí hơn. Không chỉ đơn giản là lượng mưa mà sự cân bằng giữa giáng thủy và bốc hơi là điều tạo nên sa mạc. Như vậy, với sự ấm lên toàn cầu, chúng ta sẽ thấy sự bốc hơi tăng lên và các khu vực sa mạc hiện nay phát triển rộng ra.
Tác động của con người lên cảnh quan cũng ảnh hưởng đến quá trình này. Việc chặt cây để lấy đất trồng trọt làm giảm khu vực thực vật tự nhiên, và một số nhà nghiên cứu cho rằng tình trạng phá rừng ở các vùng nhiệt đới đang làm giảm sự giáng thủy. Nếu nước bốc hơi nhiều hơn thay vì được cây giữ lại trong đất thì sẽ có một vòng lặp khiến cho khu vực đó ngày càng khô hơn. Những khu vực bán khô hạn cạnh các sa mạc hiện nay là những vùng dễ bị ảnh hưởng nhất.
Các nhà khoa học cho rằng sự tương tác giữa nhiều yếu tố là điều khiến cho sa mạc lan rộng ra. Không chỉ riêng tác động của con người, biến đổi khí hậu hay sự dao động trong khí hậu tự nhiên, mà tổng thể tất cả những yếu tố này là thứ đẩy các hệ sinh thái lên quá điểm bùng phát.
