Gök gürültüsü, şimşek ve yıldırım esnasında oluşan patlamaya benzer yüksek sese verilen isimdir. Şimşek sonucu meydana gelen yıldırım demetlerini çevreleyen havada şiddetli bir basınç ve sıcaklık yükselmesi görülür. Yıldırım demetlerini çevreleyen havada oluşan bu ani sıcaklık ve basınç değişimi havanın hızla genleşmesine neden olur. İşte, havanın bu ani genleşmesi sonik ses dalgası oluşturur, ki bu da gök gürültüsünü meydana getirir.
Gök gürültüsünün çeşitli sesleri vardır. Ağır ve derinden gelen bir ses, gök gürültüsünün uzaklardan geldiğini gösterir. Çatırtılı gök gürültüsü, yıldırımın birçok kollara ayrıldığında duyulur. Şimşek çakmasından sonra duyulan en kuvvetli sesi, yıldırımın asıl gövdesi; arkadan gelen sesi, ayrıldığı kollar meydana getirir. Ses hızı, ışık hızından çok küçük olduğundan, gök gürültüsü daima şimşek görüldükten sonra duyulur.
Dağlık bölgeler hariç, gök gürültüsünün 30-40 saniyeden fazla sürdüğü pek görülmez. Yapılan tetkiklerde bazı bilim adamlarına göre şimşek ve bunun sonucu gök gürültüsünün meydana gelmesi için elektrik yüklü bulutların uçlarındaki sıcaklığın 28 °C’ye yükselmesi gerekmektedir. Bundan başka, bulut içinde buz parçacıkları ve su damlalarının aynı anda mevcut olmaları, şimşeğin akması için gerekli görülmektedir. Böyle bir durumda bulut içinde sıcaklık -20 °C olduğu seviye etrafında pozitif elektrik yüklü ve 0 °C ile 10 °C arasında bulunan büyük bir alanda ise negatif elektrik yüklü bir merkez bulunur. Bu merkezler esas elektrik boşalım merkezleri olup, şimşek bu merkezler arasındaki kanalda meydana gelir. Kanalın sıcaklığı bir anda hemen hemen 10.000 °C’ye yükselir. Bu ısınma sonunda süratle hacmi genişleyen havadan gürültü olarak dalgalar yayılır.
Gök gürültüsü bazen şimşek mahallinden 64 km uzaktan, ses dalgalarının aşağı atmosferde kırılmalara uğradığı zamanlarda 16–25 km uzaktan işitilebilir. Buna karşılık bazen 16 km’den çok daha kısa mesafelerden bile işitilmediği de olur.
Şimşeğin gözlemciye uzaklığı çok basit bir yöntemle hesaplanabilir. Ses hızı deniz seviyesinde saniyede yaklaşık 340 metredir. Öncelikle şimşek çakması ile gök gürültüsünün işitilmesi arasındaki zaman farkı ölçülür. Bunun için bir kronometre kullanılabilir. Her bir saniye 340 metre ile çarpılır. Örneğin gök gürültüsü şimşekten 7 saniye sonra işitilmişse, şimşek 7 s x 340 m/s = 2380 metre (2,38 km) uzakta gerçekleşmiştir.
