夜光雲早在120多年前就被人類發現，但我們至今仍無法從科學角度準確解釋這一現象。科羅拉多州大學大氣科學家加里·托馬斯(Gary Thomas)在看到宇航員於空間站拍攝的夜光雲照片後說："真的很美。雲層的高度非常高，就在太空邊緣。"在形成夜光雲的高度，大氣乾燥程度是撒哈拉沙漠的1億倍。相比之下，常見的高空卷雲只能達到11英里(18公里)的高度。托馬斯在接受太空網採訪時說："我們給出的一個相當合理的解釋是，下方的水蒸汽向流動，本質上充當了‘燃料'的作用。"
部分水蒸汽來自熱帶上升氣體，在熱帶地區，只有極少量水蒸氣能夠"逃"到遠至上層大氣的區域。水蒸汽的另一個可能來源就是甲烷氧化。過去100年時間裏，甲烷濃度增加了一倍，這可以用來解釋過去幾十年高空雲層發生的部分變化。
1883年，印度尼西亞喀拉喀托超級火山噴發，致使空氣中充滿大量灰塵並最終出現狀況的日落景象。沒過幾年，人們就第一次發現了夜光雲。 1885年7月的一天晚上，英國南安普敦的羅伯特·萊斯利(Robert Leslie)見到了美麗的夜光雲，並將這一最新發現刊登在《自然》雜誌上。在此之後，夜光雲又陸續在北緯度地區--例如斯堪的納維亞、蘇格蘭和西伯利亞 --以及更遠的南部地區出現。美國的華盛頓和俄勒岡州、土耳其以及伊朗也曾目睹這一奇觀。
在極地地區的整個夏季，科學家都能觀察到廣為分布的夜光雲。有些甚至是在"哥倫比亞"號太空梭發生空難後出現的，當時太空梭排氣裝置產生的 400噸水蒸氣向南極漂去。在2007年中層大氣高空冰探測衛星發射後，夜光雲變得越發神秘，當時這顆衛星發現一個由直徑不超過30納米(血紅細胞的直徑大約在1萬納米左右)的冰晶構成的夜光雲。類似的雲層似乎只在上層大氣停留。托馬斯說："冰晶體積太小，不能有效散射光線"
除了發現神秘夜光雲外，中層大氣高空冰探測衛星也同樣發現了夜光雲和對流層雲(盤旋在地表附近)之間存在極高的相似性，這也就意味著近太空天氣的動力學怪異程度可能沒有達到不可思議的程度。據研究人員預測，夜光雲的形成和擴散與現代氣候變化類型有關，但也不排除存在其它因素的可能性，包括甲烷、二氧化碳、上層大氣的流星數量，甚至11年的太陽黑子活動週期。托馬斯說："我想最終會有一個合理解釋的。我們正試圖瞭解夜光雲的形成及變化。"
