Snježne pahulje zapravo su kristali leda, većinom nakupine monokristala leda, ali znaju biti i samostalni monokristali. Nastaju u različitim veličinama i oblicima, a struktura svake od njih je jedinstvena da je teško zamisliti da nastaju spontano, pod uticajem zakona fizike.

Pahulje nastaju u oblacima na temperaturama nižim od nula stepeni Celzijusa direktno iz vodene pare u vazduhu, a ne smrzavanjem vode kako se obično misli. Da bi pahulja dobila konačan oblik mora postojati početni, inicijalni kristalić leda. On čini jezgro, a sastoji se od desetak do nekoliko stotina molekula te se na njega lako ugrađuju nadolazeće molekule vodene pare.

Ali, da bi se stvorio inicijalni kristalić leda mora postojati jezgro nukleacije. Tu funkciju jezgra nukleacije obavljaju fina zrnca prašine različitih izvora. Ako nije zadovoljena temperatura, odnosno ako je ona viša od nule, molekule vodene pare će se kondenzovati u kapljice, takođe na zrncima prašine. Svaka kišna kap i svaka snježna pahulja sadrže barem jedno zrnce prašine.

Proces nastajanja pahulja može se jednostavno prikazati tumačenjem faznog dijagrama vode. Radi se o pritisak/temperatura (p/T) grafikonu. U vazduhu na nekoj visini, u oblaku, unutar određenog opsega temperature i vlažnosti postoje dva, a često i tri agregatna stanja vode, a dijagram pokazuje ravnotežne linije granice između tri faze: krute, tečne i plinovite. Granica između tečne i plinovite faze ne nastavlja se u beskonačnost, nego se prekida u tački koja se naziva kritična tačka. To zapravo znači da se na ekstremno visokim temperaturama i pritiscima tečna i plinovita faza ne mogu razlikovati. Ta se faza naziva superkritični fluid.

Padne li temperatura ispod nula stepeni tečna faza bi trebalo da se pretvori u led i opet bi posmatrani sastav bio u skladu s faznim dijagramom. Postojale bi samo dvije faze, led i para, ali to se rijetko događa. Češća je situacija kada kapljice vode ostaju u tečnom stanju i iako pothlađene, mogu održati tečno stanje sve do -41 stepen (ako na površini nema hemijskih i mehaničkih nečistoća), a nakon koje se kristalizuju u led. U stvarnosti upravo zbog nečistoća one se počinju smrzavati i na temperaturama višim od -41 stepen. Te nečistoće na površini imaju jednaku ulogu kao i zrnca prašine prilikom inicijalne kristalizacije pahulje. One djeluju kao centri oko kojih počinje kristalizacija.

Simetrija je glavna komponenta ljepote snježnih pahulja - imaju kristalnu strukturu, a njihov makroskopski oblik je uvijek heksagonska prizma.

Snježne pahulje rano su privukle pažnju naučnika. Godine 1611. Johan Kepler, fizičar poznat po tri zakona o planetama, u svojim radovima raspravlja o uočenom pravilnom šestougaonom obliku snježne pahulje. Godine 1635. Rene Dekart, filozof i matematičar, takođe dio svog kreativnog rada posvećuje pahuljama. On je zabilježio vrlo detaljne i dojmljive opise oblika pahulja koje je vidio prostim okom. Zapazio je da su nalik pločicama leda, šestougaonog oblika i vrlo pravilne.