主要由於下墊面物理特性與大範圍地區有差異所造成的異於大氣候和中氣候的、尺度更小的小範圍氣候。例如，根據下墊面物理性質，有農田小氣候、森林小氣候、護田林帶小氣候、沼澤小氣候、水庫小氣候、積雪（雪被）小氣候、地形小氣候和城市街道小氣候等。小氣候的水準範圍一般幾米到幾百米。
小氣候形成的物理原因主要有以下幾個：①地面反射率不同。如深色地面反射率低，吸收陽光熱量的能力比淺色地面強得多，因而溫度也高得多；積雪上氣溫低就是因為雪面反反射率高。②下墊面幹濕情況不同。濕土和有植被地面水分蒸發大，蒸發耗熱多，因此加熱地面和空氣的熱量便少得多。沼澤、水域、森林、農田、護田林帶附近溫度偏低而濕度偏高，就是這個原因。③下墊面的起伏和粗糙程度不同。它不僅影響風速和湍流，通過減少蒸發量間接影響溫、濕度，而且城市街道和高樓會形成狹管大風和高樓風等；微小地形起伏也能造成溫差，例如南坡暖於北坡、河谷盆地底部低溫霜凍多、山麓下部出現的暖帶（發展亞熱帶和熱帶作物的氣候資源）等。
此外，還有比小氣候尺度更小的微氣候。例如室內、洞穴、蜂房、植株，以至葉面上的微氣候。但嚴格來說，它們也都是由於存在溫度、濕度不同的下墊面所造成。小氣候和微氣候都是同一物理原因所造成，而且在尺度劃分上也沒有明確界限，因此氣象學上也常把它們統一稱為小氣候。
由於小氣候研究的是較為細微的氣候結構，因此在觀測佈點上不僅需要加密站點和觀測次數，而且所用儀器（包括感應元件）也需體積小、靈敏度高，以適應研究對象空間尺度和要素數值變化小的需要。