A atmosfera da Terra consiste basicamente de nitrogênio e oxigênio, somados a pequenas quantidades de argônio, dióxido de carbono e gases raros. Quando uma descarga de retorno de um relâmpago ocorre, devido a sua grande intensidade, ela é capaz de, literalmente, quebrar as moléculas de nitrogênio e oxigênio do ar dentro do canal. Os átomos resultantes podem ser incorporados a outras moléculas ou se agruparem formando novas moléculas e alterar a química da atmosfera na região em torno do canal. A quebra das moléculas de gás nitrogênio pelo relâmpago possibilita que átomos deste elemento possam ser fixados a outros elementos.
A fixação de átomos de nitrogênio a átomos de oxigênio forma compostos, tais como NO e NO2, denominados genericamente de NOx. Evidências recentes indicam que não só as descargas de retorno bem como outros processos do relâmpago, como componente-M e corrente continua, são capazes de produzir NOx. Levando em conta as incertezas envolvidas, estima-se que algo em torno de dois quilogramas de (NO)x é produzido por cada relâmpago, o que significa globalmente algo em torno de oito bilhões de quilogramas por ano.
Se de um ponto de vista global os relâmpagos não são os principais produtores de compostos de nitrogênio, em termos locais a situação pode ser bastante diferente. Resultados recentes têm mostrado que em regiões oceânicas, na alta atmosfera, na troposfera e baixa estratosfera da região tropical, os relâmpagos podem ser a principal fonte de produção de compostos de nitrogênio. Em particular, durante sua permanência na baixa estratosfera, estes compostos podem causar diminuições significativas na concentração de ozônio através de reações químicas.
A concentração de ozônio é importante para a vida, pois ela atua como um escudo natural à radiação ultravioleta do Sol, fazendo com que apenas parte da radiação atinja o solo. Tal radiação em níveis elevados pode ser prejudicial à saúde, podendo causar, entre outros problemas, câncer de pele. É possível que em regiões tropicais, como o Brasil, onde a densidade de relâmpagos seja alta, a concentração de ozônio possa ser afetada significativamente pelos relâmpagos.
No passado remoto de nosso planeta, a produção de compostos de nitrogênio por relâmpagos pode ter sido preponderante sobre os outros processos, devido ao menor número de formas de vida então presentes.
Os relâmpagos podem também atuar indiretamente sobre a química da atmosfera e do solo por meio dos incêndios que eles provocam. Os incêndios podem acelerar o processo de convecção e adicionar umidade na atmosfera que, ao condensar-se formando gotículas de água, pode alterar a altura da base das tempestades. A poeira, por sua vez, pode atuar como núcleos de condensação afetando a formação das tempestades e até mesmo as características dos relâmpagos.
