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 esses centros de cargas dentro da nuvem, um campo elétrico na atmosfera ao redor da nuvem é gerado e pode ser visualizado por linhas de campo elétrico. Em um dado ponto, o campo elétrico é tangente a estas linhas.

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 um na 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 respectivamente com cargas positivas e negativas, denominadas camadas de blindagem. Estas camadas são produzidas pelo aprisionamento de íons da atmosfera, gerados por 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 -15°C a 0°C, independentemente da altura do topo da nuvem, enquanto a carga positiva ficava distribuída na região superior da nuvem.

Medidas feitas na última década com balões que penetram as nuvens de tempestade e medem o campo elétrico 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, com variações de uma região para outra dentro da nuvem. Tem-se identificado que a região de correntes ascendentes apresenta quatro centros de carga, localizada em alturas que aumentam à medida que a 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 cargas tendem a se localizar em alturas maiores do que em outras tempestades, devido à maior intensidade dessas correntes nesse tipo de tempestade. Tem-se encontrado também que, durante a fase dissipativa, parte das cargas contidas nos centros inferiores da nuvem é levada 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, restrito a uma pequena área (alguns quilômetros) e a 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 à 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, o transporte de cargas da região convectiva, e os processos locais. Ambos os processos atuam simultaneamente.

Dentro de uma nuvem de tempestade, o campo elétrico pode atingir valores tão intensos quanto 400 mil V/m. Embora intensos, esses campos são inferiores ao campo elétrico para a quebra de rigidez dielétrica dentro da nuvem (cerca de 1 milhão V/m), calculado a partir de seu valor no solo (em torno de 3 milhões V/m). 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 raios cósmicos.

No solo, apesar de atenuado, o campo elétrico de uma nuvem de tempestade é ainda em torno de 10 kV/m, o que equivale a cem vezes o valor encontrado 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 alguns miliampères de intensidade saia de diversos objetos embaixo da nuvem.