La pollution photo-oxydante est due à l'action des rayons ultra-violets émis par le soleil sur des polluants primaires, composés organiques volatils et oxydes d'azote, présents dans l'atmosphère. Au terme de processus complexes, ces précurseurs sont transformés en ozone et d’autres composés oxydants tels que le nitrate de péroxyacétyle (PAN), le peroxyde d'hydrogène, ou des aldéhydes.

Ces phénomènes ont lieu dans les couches d'air proches du sol et dans la troposphère libre. L'ozone formé à ce niveau est qualifié de "mauvais ozone" en raison de ses effets néfastes sur la santé humaine et les écosystèmes forestiers et agricoles.

Les concentrations en ozone sont plus élevées à distance des sources des précurseurs qu’à proximité immédiate de celles-ci. En effet, les émissions de monoxyde d’azote liées au trafic notamment, sont importantes en milieu urbain. L'ozone étant détruit par le monoxyde d’azote, ses concentrations s’en trouvent directement diminuées à proximité des voies de circulation. Le monoxyde d’azote agit comme un puits d'ozone. Si le nuage de polluants formé sur la ville se déplace à la campagne, les concentrations d'ozone augmentent, l’ozone n’étant plus consommé.
La pollution photochimique est un phénomène caractéristique des situations estivales anticycloniques.

Le phénomène de pollution photo-oxydante est lié à celui des pluies acides.