O primeiro modelo de estrutura elétrica de uma nuvem de tempestade isolada foi proposto no começo do século 20, com base em medidas de campo elétrico e da carga contida nas partículas de chuva. Ele pode ser descrito como um dipolo elétrico, composto por dois centros de cargas representando uma região carregada positivamente acima de uma região carregada negativamente. O centro positivo superior ocupa a metade superior do volume da nuvem, enquanto o centro negativo está localizado na metade inferior da nuvem. A carga nestes centros pode variar consideravelmente de um local para outro e de nuvem para nuvem, com valores desde uma dezena a algumas centenas de Coulomb. Associado a estes centros de cargas dentro da nuvem, um campo elétrico na atmosfera ao redor da nuvem é gerado, que pode ser visualizado através de linhas de campo elétrico. Em um dado ponto, o campo elétrico é tangente a estaslinhas.

No final da década de 1930, um novo modelo foi proposto para a estrutura elétrica das nuvens de tempestade isoladas, considerando uma estrutura tripolar. Neste modelo, três centros de cargas são considerados. Dois centros de carga positivos, um na parte superior e umna parte inferior da nuvem, e um centro negativo no meio da nuvem. O centro de cargas positivas inferior foi considerado estar associado às cargas positivas provenientes do solo por efeito corona. Na década de 1940, foi incorporada a este modelo a existência de finas camadas de cargas na base e no topo da nuvem, carregadas com cargas positivas e negativas, respectivamente, denominadas camadas de blindagem. Estas camadas são produzidas pelo aprisionamento de íons da atmosfera, geradospor raios cósmicos às partículas da nuvem, e atuam de modo a blindar parcialmente a região externa da nuvem dos campos internos. Na década de1970 evidências foram encontradas de que a região de cargas negativas mantinha-se concentrada em uma estreita camada, em uma altura onde a temperatura variava em torno de 0 a -15°C, independente da altura do topo da nuvem, enquanto que a carga positiva mantinha-se distribuída na região superior da nuvem.

Medidas feitas na última década utilizando balões que penetram as nuvens de tempestade medindo o campo elétrico gerado pelas cargas em seuinterior têm mostrado que a estrutura elétrica de uma nuvem de tempestade isolada é mais complexa que a estrutura tripolar, caracterizando-se como uma estrutura multipolar, e variando de uma região para outra dentro da nuvem ao longo do desenvolvimento da nuvem. Tem-se identificado que a região de correntes ascendente apresenta quatro centros de carga, localizada em alturas que aumentam à medida quea velocidade das correntes aumenta, enquanto a região de correntes descendentes normalmente apresenta seis centros de carga. Em geral, nas regiões de correntes ascendentes de tempestades supercelulares as cargastendem a se localizar em alturas maiores do que em outras tempestades, devido a maior intensidade destas correntes neste tipo de tempestade. Tem-se encontrado também que, durante a fase dissipativa, parte das cargas contidas nos centros inferiores da nuvem são levadas para o solo pela chuva alterando a estrutura elétrica da nuvem. Medidas feitas com dois balões simultaneamente dentro de uma tempestade têm mostrado que o efeito de um relâmpago sobre a estrutura elétrica da tempestade é pequeno em magnitude e restrito a uma pequena área (alguns quilômetros) ea um curto intervalo de tempo (menos de um minuto).

Embora não existam informações detalhadas sobre a estrutura elétrica das nuvens de tempestade organizadas, acredita-se que elas possuam uma estrutura similar a estrutura das tempestades isoladas, ao menos na região convectiva. Na região estratiforme, a estrutura elétrica também tem o caráter multipolar, embora tenda a apresentar uma região preponderante de cargas positivas localizada próxima à região com temperatura em torno de 0 °C. Em termos gerais, dois diferentes mecanismos têm sido propostos para explicar as cargas elétricas existentes na região estratiforme, a advecção, isto é, transporte de cargas da região convectiva e os processos locais. Ambos os processos, provavelmente, atuam simultaneamente.

Dentro de uma nuvem de tempestade o campo elétrico pode atingir valores tão intensos quanto 400 mil V/m. Embora intensos, estes campos são inferiores ao campo elétrico para a quebra de rigidez dielétrica dentro da nuvem (cerca de um milhão de volts por metro) calculado a partir de seu valor no solo (em torno de 3 milhões de volts por metro). Acredita-se que a quebra da rigidez dentro das nuvens para valores de campo mais baixos ocorra devido à ação das gotículas de água e dos raioscósmicos. No solo, apesar de atenuado, o campo elétrico de uma nuvem detempestade é ainda em torno de 10 kV/m, o que equivale a cerca de cem vezes o valor em regiões de tempo bom. O campo apresenta variações rápidas associadas aos relâmpagos, seguidas por uma variação lenta indicando o fim da tempestade, conhecida como oscilação de fim de tempestade. Esta oscilação está associada a mudanças da estrutura elétrica da nuvem na fase dissipativa, provocada pela precipitação e neutralização das camadas de blindagem da nuvem. A presença deste campo faz com que uma corrente corona de até alguns miliampères de intensidadesaia de diversos objetos embaixo da nuvem.