با توجه به اهمیت شهر مشهد به عنوان دومین کلان شهر کشور که سالیانه میزبان بیش از ۴۰ میلیون زائر است، بررسی مهم‌ترین علل آلودگی هوا در شبکه مسائل این شهر ضروری به نظر می‌رسد.
اولین علت آلودگی هوا در شهر مشهد به تعداد بسیار زیاد خودرو‌های شخصی و تک سرنشین مربوط می‌شود. از نظر فرهنگی امروزه مالک خودروی شخصی بودن و سفرکردن درون شهر با خودروی فردی، در بین مردم نوعی فرهنگ و نشانه‌ای از متمدن بودن است. از نظر اقتصادی با توجه به اختلاف قیمت بین کارخانه و بازار، بخش زیادی از سرمایه گذاری مردم به سمت بازار خودرو سواری سوق داده شده است.
از نظر مدیریت شهری نیز به دلیل توسعه نیافتن سیستم حمل ونقل عمومی در شهر مشهد متناسب با نیاز روز مردم، رغبت مردم به استفاده از اتوبوس و مترو کاهش پیدا کرده است. از نظر اجتماعی جریان تند زندگی‌ها و نداشتن وقت و حوصله برای بهره مندی از سامانه‌های حمل ونقل عمومی نیز مزید بر علت شده است تا بیشتر جامعه به داشتن خودرو شخصی و استفاده از آن در تمام سفر‌های درون شهری تمایل داشته باشند.
بررسی‌های کارشناسی نشان می‌دهد خودرو‌های شخصی و عمومی عامل ۶۵ درصد آلودگی هوای مشهد هستند، عاملی که ناشی از رفت وآمد روزانه افزون بر یک ونیم میلیون دستگاه خودرو در مشهد است. کیفیت پایین بنزین از یک سو و کیفیت پایین برخی خودرو‌های تولید داخل و فرسودگی برخی خودرو‌های قدیمی ازسوی دیگر، سبب کاهش بازده احتراق در موتور خودرو‌ها شده که زمینه برای ورود حجم زیادی از آلاینده‌ها مانند مونوکسید کربن، دی اکسید کربن، مونوکسید نیتروژن و دی اکسید گوگرد به هوا را فراهم می‌کند.
دومین علت آلودگی هوا، افزایش مصرف سوخت‌های فسیلی همچون مازوت در نیروگاه‌های برق است. نیروگاه‌ها برای تولید برق نیاز دارند تا به وسیله احتراق، آب را بخار کنند و بخار آب را از درون توربین عبور دهند تا با چرخش پره‌ها و متعاقب آن چرخش میله درون ژنراتور به وسیله القای مغناطیسی جریان الکتریکی را تولید کنند. نیروگاه‌ها برای تولید احتراق مورد نیاز خود در گذشته از سوزاندن زغال سنگ بهره می‌بردند و امروزه گاز طبیعی (متان) جای آن را گرفته است.
با نزدیک شدن به فصل زمستان و سرد شدن هوا، مصرف گاز طبیعی در منازل افزایش می‌یابد و به منظور جلوگیری از قطع گاز مردم در فصل سرما، دولت به ناچار میزان گاز مورد نیاز نیروگاه‌ها را کاهش می‌دهد. در چنین شرایطی برخی نیروگاه‌ها به منظور عدم افت میزان برق تولیدی مجبور به استفاده از سوخت‌های فسیلی همچون مازوت هستند.
مازوت یکی از هیدروکربن‌های نفتی است که در مراحل پالایش نفت خام به صورت برشی از برج تقطیر به صورت محصول باقی مانده برج به دست می‌آید. سوختن مازوت باعث تشکیل سولفات‌ها و نیترات‌ها به صورت ذرات معلق در هوا می‌شود که با افزایش غلظت در هوا خطر حملات قلبی و مشکلات تنفسی از جمله آسم را افزایش می‌دهد و این آلودگی‌ها باعث ایجاد باران اسیدی شده و اکوسیستم‌های زمین را تحت تأثیر قرار می‌دهد.
سومین عامل مؤثر در بروز آلودگی هوای مشهد، وجود کانون‌های بحران ریزگرد در داخل کشور و نیز در کشور‌های همسایه شمالی و شرقی است. یکی از کانون‌های مهم ریزگرد تخلیه نخاله‌های ساختمانی در حاشیه شهر مشهد و اطراف رودخانه کشف رود است که در مسیر باد‌های موسمی به سمت مرکز شهر قرار دارند و به دلیل نظارت نکردن بر این موضوع، گسیل حجم زیادی از ریزگرد‌ها به هوای مشهد رخ می‌دهد.
علاوه بر این دو کانون گرد وخاک در دشت قره قوم ترکمنستان و کشور افغانستان هم شهر‌های مشهد و سرخس را تحت تأثیر جدی قرار می‌دهند. بخشی از آلودگی هوای مشهد در سال‌های اخیر مربوط به افزایش ذرات معلق در هوا بوده که از کانون‌های بحران ریزگرد‌ها در اطراف به حرکت در آمده و این شهر را تحت تأثیر قرار داده است. از عوامل مهم ماندگاری و تراکم آلاینده‌ها در هوای تنفسی مشهد نیز وقوع پدیده وارونگی هوا در ابتدای صبح در فصول سرد سال است.