通过对我国北方煤田火区50年来积累的资料进行分析和大面积野外实地观察，结合甘肃窑街火区、新疆硫磺沟火区、宁夏汝箕沟火区、内蒙古乌达火区的典型研究，可初步把地下煤层自燃的形成分成四个阶段。
（一）自燃阶段
煤在自然环境中与空气的接触，吸附氧气并产生氧化作用，氧化产生热量；当煤层中发热量大于散热量时开始聚热增温，增温达到110℃以前煤中水分蒸发，煤层冒白气；温度达到110℃以上时，煤体进入烘干阶段，热解作用加速进行，增温过程不可逆转，煤层开始冒灰烟；当某个点增温量达到煤自燃临界值时，开始自燃着火，生成明火点或冒黑烟点。
煤的自然着火过程。煤的自然着火在地表、地下和矿井中普遍发生。由于煤质和赋存状态吸氧能力不同，受温度和供氧能力的影响，煤在开始自然着火阶段时燃时熄。当煤层温度逐步升高后，由少数自然着火点，发展成几个、几十个着火点，但仍处于时燃时熄状态。当较大空间的煤体达到着火临界值时，为形成燃烧中心准备了条件。
控制煤从氧化到自然着火的条件。煤质和供氧聚热环境是控制煤从氧化到自然着火的主要条件。乌达煤田采空区、采空塌陷的遗煤，氧化发热聚温18年才发生自燃着火。
（二）燃烧中心形成阶段
煤火形成初期均是由一个点开始的，这个点具备供氧充足且有利于聚热的环境。此点周围的煤被氧化产生热量，并只在此点聚集起来，使此点煤温逐渐增高直至自然着火，这样就形成了燃烧中心。
地下煤体自燃着火后，与地表形成热压差，地表大气通过各种渠道，如以裂隙、洞穴、渗漏等方式与自燃着火点连通，形成以地表大气输气供氧，燃烧后烟雾向地表大气排放的空气动力系统。空气动力系统与燃烧体结合，形成具有一定能量的燃烧动力系统。燃烧动力系统形成煤层以喷出点为中心的燃烧中心，地下煤层燃烧后进入低温干馏阶段，并且以燃烧中心的能量向更大空间发展。燃烧中心的面积在几平方米到数百平方米之间。
（三）燃烧系统发展阶段
燃烧中心形成后，由于煤层的温度进一步上升和燃烧裂隙的发展，改变了煤层的燃烧条件，形成更好的燃烧环境，由几个或几十个燃烧中心发展成一个燃烧系统。在燃烧系统阶段，各燃烧中心的输气供氧渠道连网成片，地下煤层燃烧形成规模，进入半焦—焦化—石墨化阶段。
燃烧系统阶段构成煤火灾害。一个火区由一个或数十个燃烧系统构成，燃烧系统是煤田火区灭火和探测的基本单位，面积在数百平方米到数万平方米之间。
（四）熄灭降温阶段
地下煤层局部燃烬熄灭，上覆岩石在高温作用下，进入由沉积岩向烧变岩的变质阶段。随着温度的降低，产出一系列标志性燃烧产物，例如刚玉（2400℃），熔变角砾岩（1600～1200℃），烧变天然焦（1000℃），瓷化玻状烧变板岩（800℃），烧变砂岩（600℃），烧变黄土（300℃），芒硝、硫磺结晶群（150～110℃）等。在燃烧熄灭变质阶段，上覆岩石变质塌陷，形成大面积的烧变塌陷坑或密集的塌陷群。