火焰山的炎热干燥，皆归因于此地独特的自然地理条件。

1：吐鲁番远离海洋，海洋湿润气团无力进入，西来的大西洋水汽又被天山阻隔。

2：其地势过低，山地与盆地在短距离内高差超过5600米，气流下沉增温产生的焚风效应，使得此地干燥炎热。故素有“火洲”之称。

3：由于山地裸露，草木无覆，戈壁沙漠面积大，日照时间长，白天增温迅速，盆地过低，热空气不易散失，形成了北纬42°线以上世界唯一的热火炉。山区气温夏季可达47℃，太阳直射处，可达80℃，沙面可烤熟鸡蛋。

4：超过35℃以上的日数却在100天以上，即使38℃以上的酷热天气也有38日之多。多年测得的绝对最高气温为49.6℃（1975年7月13日），而地表温度能达到83.3℃，是名符其实的“中国热极”。

5：降水量极少。火洲多年平均降水只有16毫米，夏季占一半，而托克逊年降水量只有5.9毫米，终年不雨或雨而未觉亦不足为奇，可以算得上是“中国干极”。

另外，还有一种说法认为火焰山的火，来自地下煤层的自燃。有学者在考察火焰山时曾经发现这一带历史上确实有过烈焰熊熊的时候，这是因为构成山体的地层中含有煤层。其中有的煤层厚达11米，它们曾发生过自燃，近地表较厚的已经自燃殆尽，而且还可以看见那留下的紫红色燃烧结疤。