极光发光有关的主要气体是氧原子和氮分子。各种气体原子或者分子会放出它们特有的光，比如氧原子是绿色或者红色，氮分子是红色，氮分子离子是蓝色，由此使得极光显现出丰富的色彩。氧原子在能够产生极光发光现象时有两种激发状态，当氧原子处在低能量的激发状态时，会发出波长在630纳米左右的红色光，之后恢复到原来的状态。
当氧原子在受到几倍高能量激发后，处在高能量的激发状态时，它们的平均寿命仅有0.74秒，马上会放出557.7纳米的绿白色光，并转移到低能量激发状态。这就是极光中能看到的最最普通的颜色。低能量激发状态从在较低高度被撞击开始到发光后失去能量为止，寿命可以长达110秒，并会在200?500千米这样比较高的高度产生红色的发光。但是在这样的高度，氧原子的数量非常少，因此这种发光只有在降落的粒子数量非常多的情况下才会出现。在2001年3月，太阳活动极大期的尾期，我们在北海道观察到了红色的极光。但是，如果它发生的高度不高的话，是无法在低纬度的日本见到这种现象的。另外一种主要的发光现象，是同氮分子有关的。我们在绿色极光帘的下缘能够见到红色的发光，是高能量的入射粒子到达较低高度之后，激发了氮分子的缘故。另外，通过非常高能量激发的电离化氮分子会发出蓝色到紫色，波长为391.4纳米和427.8纳米的光，这和绿白色的极光乎在同一个高度出现。
但是对人类的眼睛来说，对波长在555纳米左右的光的感觉度最强，因此说起极光最大众化的颜色，首推的仍旧是绿白色。另外，当氢核下降，成为被激发的氢之后，会发出巴尔默（Balmer）系列的辉线，这种极光被称为质子极光，但它的光线非常微弱，用肉眼几乎是无法看见的。极光的形状，有东西方向长长地伸展开去的弧状或者堤岸状，或者分成两个大类，一大类是大小不一的旋涡构成的清晰的离散结构；一大类是淡而模糊地扩散出去的斑点或者面纱状的扩散结构，基本上都是沿着磁力线的形状弧状或者堤岸状的，在高度方向约为100?300千米的高度，东方向约有数千千米的宽度。另外，它们也可能是重复多层，或者像碎片一样一片一片，或者以天空的某一点（磁力天顶）为中心呈扇形地扩散开去形成日冕的形状。离散结构的极光一般在午夜前的时间段出现，扩散结构的极光一般在午夜后到天亮前的时间段出现。一些特别明亮的极光，有时候会有非常剧烈的运动。这并不是因为极光发光所在的高度的大气运动，也就是风引起的，而是和电视机一样，因为飞入带电粒子的飞快运动和变化而引起的。