องค์คณะรัฐบาลนานาชาติว่าด้วยการเปลียนแปลงภูมิอากาศ (IPCC) ได้ออกแถลงการณ์ดังนี้ “เป็นที่ทราบกันโดยทั่วไปแล้วว่า เมื่อเปรียบเทียบพื้นที่ที่ไม่ใช่เมือง เกาะความร้อนเมืองทำให้อุณหภูมิเมืองในตอนกลางคืนมากกว่าอุณหภูมิเมืองตอนกลางวัน" [8] ตัวอย่างเช่น เมืองมอเรโน-การ์เซีย (Int. J. Climatology, 1994) พบว่าอุณหภูมิของเมืองบาร์เซโลนา เย็นกว่า 0.2°C สำหรับอุณหภูมิเฉลี่ยสูงสุดประจำวันและร้อนกว่าอุณหภูมิเฉลี่ยต่ำสุดประจำวันของสถานีตรวจวัดในพื้นที่ชนบทใกล้เคียง 2.9°C ความจริงแล้ว รายงานทำนองนี้แรกสุดเกี่ยวกับปรากฏการณ์เกาะความร้อนเมืองเป็นของลุค เฮาวาร์ด (Luke Howard) ใน ปี พ.ศ. 2363 ว่า:

“เฮาวาร์ดได้ค้นพบว่าศูนย์กลางของเมืองในเวลากลางคืนร้อนกว่าพื้นที่พื้นที่ชนบทใกล้เคียง ซึ่งเป็นสภาวะที่เรียกกันในปัจจุบันว่าปรากฏการณ์เกาะความร้อนเมือง ในการนำเสนอในการประชุม “ภูมิอากาศของลอนดอน” (พ.ศ. 2363) ในการเปรียบเทียบการอ่านค่าอุณหภูมิที่แตกต่างระหว่างลอนดอนกับชนบทในช่วงเวลา 9 ปี เฮาวาร์ดให้ข้อคิดเห็นว่า “ในเมืองตอนกลางคืนร้อนกว่า 3.70° และตอนกลางวันเย็นกว่า 0.34° เมื่อเทียบกับชนบท” เฮาวาร์ดกล่าวว่าความแตกต่างนี้เกิดจากการใช้เชื้อเพลิงเป็นจำนวนมากในเมือง [9]

ถึงแม้อุณหภูมิปรากฏการณ์เกาะความร้อนเมืองจะแลเห็นชัดกว่าในเวลากลางคืน แต่ปรากฏการณ์เกาะความร้อนเมืองก็ได้แสดงให้เห็นความชัดเจนและที่ค่อนข้างขัดกันลักษณะการเกิดตอนกลางวัน อุณหภูมิปรากฏการณ์เกาะความร้อนเมืองจะมากในตอนกลางวันและน้อยกว่าในตอนกลางวัน ในขณะที่สิ่งตรงกันข้ามก็เป็นความจริง คืออุณหภูมิที่พื้นผิวของปรากฏการณ์เกาะความร้อนเมืองที่ร้อนกว่า จากการศึกษาของ Roth et al. (1990):

ความแตกต่างของอุณหภูมิผิวพื้นระหว่าง เมือง-ชนบท ในตอนกลางคืนน้อยกว่าตอนกลางวันมาก ซึ่งนี่ก็คือการกลับกันของอุณหภูมิใกล้ผิวพื้นตลอดช่วงวลากลางวัน โดยเฉพาะเมื่อท้องฟ้าปราศจากเมฆ ผิวพื้นของเมืองจะร้อนขึ้นจากการดูดซับการแผ่รังสีของดวงอาทิตย์ ดังได้กล่าวมาแล้วข้างต้น ผิวพื้นของเมืองจะร้อนเร็วกว่าผิวพื้นในชนบท โดยคุณสมบัติในการจุความร้อนที่ที่สูงมาก ผิวพื้นของเมือง (รวมผิวอาคารและโครงสร้างอื่นๆ) จึงกลายเป็นแหล่งเก็บกักพลังงานความร้อนขนาดยักษ์ (ตัวอย่างเช่น คอนกรีตสามารถจุความร้อนได้เป็น 2,000 เท่าของอากาศในบริมาตรเท่ากัน) ด้วยเหตุนี้ อุณหภูมิผิวที่สูงมากของปรากฏการณ์เกาะความร้อนเมืองจึงปรากฏชัดในภาพถ่ายดาวเทียมที่ถ่ายด้วยรังสีความร้อน (e.g. Lee, 1993)

อย่างไรก็ตาม ในกรณีของความร้อนช่วงกลางวันนี้ก็ทำให้เกิดปรากฏการณ์ “การพาความร้อน” (convective) โดยลมภายใน “เขตชั้นเมือง” (boundary layer) มีการเสนอทฤษฎีว่า เนื่องจากการผสมกันของบรรยากาศ อุณหภูมิอากาศในปรากฏการณ์เกาะความร้อนเมืองจึงมีน้อยหรือเกือบไม่มีเลยแม้อุณหภูมิพื้นผิวจะร้อนมากก็ตาม (Camilloni and Barros, 1997)

ส่วนในตอนกลางคืน สถานการณ์กลับกลับกัน การไม่มีความร้อนจากรังสีดวงอาทิตย์ทำให้การพาความร้อนในบรรยากาศลดลง เขตชั้นเมืองเริ่มนิ่ง “ชั้นผกผัน” (inversion layer) จึงเกิดขึ้นและกักอากาศบริเวณใกล้ผิวในเมืองไว้ การร้อนขึ้นที่มาจากผิวพื้นที่ยังร้อนจึงเกิดได้กลายเป็นอุณหภูมิอากาศตอนกลางคืนของปรากฏการณ์เกาะความร้อนเมือง

คำอธิบายสำหรับการเพิ่มขึ้นสูงสุดของอุณหภูมิตอนกลางคืนคือ ต้นเหตุหลักของปรากฏการณ์เกาะความร้อนเมืองนั้นเกิดจากการปิดกั้น “วิวท้องฟ้า” ในช่วงที่กำลังอุณหภูมิกำลังเย็นลง ผิวพื้นสูญเสียความร้อนจำนวนมากในตอนกลางคืนด้วยการแผ่รังสีให้แก่ท้องฟ้า (ซึ่งค่อนข้างเย็น) แต่สำหรับในเมืองมีอาคารต่างๆ จำนวนมากปิดกั้นการแผ่รังสีเอาไว้ ปกติการเย็นโดยการคายรังสีจะเพิ่มมากขึ้นอย่างสำคัญเมื่อลมไม่แรงและท้องฟ้าไม่มีเมฆ ดังนั้น ปรากฏการณ์เกาะความร้อนเมืองที่เกิดมากในตอนกลางคืนก็ด้วยเหตุนี้นั่นเอง [10][11]