Toplinski valovi imaju vidljiv učinak na ljude i prirodne sustave. S obzirom na to da nema univerzalno definirane vrijednosti ekstremne temperature pri kojoj započinje toplinski val, ona se određuje prema lokalnim klimatološkim čimbenicima. Stoga nerijetko određena temperatura u pojedinom prostoru predstavlja toplinski val dok se na drugom području klasificira kao uobičajena i normalna.

Primjerice, toplinski valovi u Berlinu definiraju se kao klimatske pojave koje traju najmanje tri dana s temperaturom zraka najmanje 25°C ili 30°C. Prema Procjeni rizika od katastrofa za Republiku Hrvatsku, toplinski val definiran je za prostor Grada Zagreba te je njegov početak u trenutku kada se dosegne kritična temperatura zraka od 37,1°C.

Kada je riječ o ranjivosti stanovništva na visoke temperature treba naglasiti kako sve skupine stanovništva nisu jednako ranjive. Dosadašnja istraživanja ukazuju kako su razlike u osjetljivosti na toplinske valove prema spolu vidljive. Istraživanja ukazuju kako žene u većoj mjeri traže liječničku pomoć tijekom visokih temperatura, razlog tomu može biti i u činjenici da je veći broj žena u starijoj dobi u odnosu na muškarce. Također, žene imaju drugačiju termalnu fiziologiju, kao što je smanjena mogućnost znojenja što krajnje gledano može otežati hlađenje tijela tijekom ekstremno visokih temperatura.

Na osjetljivost starijih skupina utječu i sljedeće fiziološke odlike povezane sa starijom dobi: smanjena mišićna masa i povećanje udjela masnog tkiva te smanjenje udjela tjelesnih tekućina za oko 10%. Smanjeni udio vode u tijelu tijekom pojačanog znojenja može uzrokovati nedostatak tekućine u organizmu koje starije osobe teško nadoknađuju. Naime, mlađe dobne skupine u kratkom vremenu jednostavno nadoknade nedostatak vode pijenjem, dok je starijim osobama potrebno više dana kako bi se nadoknadio gubitak vode.

Znanstvenici navode kako utjecaj toplinskog stanja atmosfere na čovjeka ne ovisi samo o temperaturi zraka, već je to kompleksni sustav razmjene topline između ljudskog tijela i okoline na koji utječe više meteoroloških i ne meteoroloških čimbenika. Prema njemu, čovjek se osjeća ugodno ako su primitak i gubitak topline jednaki, no ako je primitak energije veći od njenog gubitka čovjeku će biti pretoplo, a ako gubi više topline nego što je tijelo može proizvesti, bit će mu hladno.

Tijekom toplinskih valova veća je učestalost smrtnosti od kardiovaskularnih i respiratornih bolesti, a to potvrđuje i znanstvenica Ana Nunes sa Sveučilišta Warwick u Velikoj Britaniji. "Teško je utvrditi vezu između smrti tijekom ili neposredno nakon toplinskog vala zbog izloženosti vrućini, a smrtnost koja se pripisuje ekstremnoj vrućini sasvim je sigurno podcijenjena", kazala je Nunes. Podsjetimo, ljudsko tijelo reagira na visoke temperature na dva ključna načina: širenjem krvnih žila u koži i proizvodnjom znoja. Širenje krvnih žila rezultira nižim krvnim tlakom, zbog čega srce radi jače kako bi provodilo krv po tijelu.

Toplinski valovi nastaju kad visoki pritisak iznad (od 3000 do 7600 metara) ojača i zadrži se u regiji nekoliko dana do nekoliko tjedana. To je uobičajeno ljeti (i na sjevernoj i na južnoj hemisferi) jer mlazni tok 'prati Sunce'. Na strani ekvatora mlazne struje, u gornjim slojevima atmosfere, nalazi se područje visokog tlaka.

Uz to, visoke temperature imaju značajan utjecaj na prihod. Studija okruga u Sjedinjenim Državama otkrila je da ekonomska produktivnost pojedinih dana opada za oko 1,7% za svaki Celzijev stupanj iznad 15°C.

Najviše službene temperature zabilježene u Južnoj Africi (51,5 ° C) zabilježene su jednog ljeta tijekom bergwinda koji se dogodio duž obale Istočnog Rta.