微波背景輻射的最重要特征是具有黑體輻射譜，在0.3厘米－75厘米波段，可以在地麵上直接測到；在大於100厘米的射電波段，銀河係本身的超高頻輻射掩蓋了來自河外空間的輻射，因而不能直接測到；在小於0.3厘米波段，由於地球大氣輻射的幹擾，要依靠氣球、火箭或衛星等空間探測手段才能測到。從0.54厘米直到數十厘米波段內的測量表明，背景輻射是溫度近於2.7k的黑體輻射，習慣稱為3k背景輻射。黑體譜現象表明，微波背景輻射是極大的時空範圍內的事件。因為隻有通過輻射與物質之間的相互作用，才能形成黑體譜。由於現今宇宙空間的物質密度極低，輻射與物質的相互作用極小，所以，我們觀測到的黑體譜必定起源於很久以前。微波背景輻射應具有比遙遠星係和射電源所能提供的更為古老的資訊。微波背景輻射的另一特征是具有極高度的各向同性。這有兩方麵的含義：首先是小尺度上的各向同性。在小到幾十弧分的範圍內，輻射強度的起伏小於0.2-0.3%；其次是大尺度上的各向同性。沿天球各個不同方向，輻射強度的漲落小於0.3%。各向同性說明，在各個不同方向上，在各個相距非常遙遠的天區之間，應當存在過相互的聯係。
宇宙充滿了溫度剛剛超過開氏2.7度、能用地麵射電望遠鏡和人造衛星上的儀器探測到的輻射之海。這被解釋為宇宙由之誕生的大爆炸火球的直接證據。因而背景輻射的發現，是自埃德溫·哈勃發現宇宙膨脹以來宇宙學方麵最重要的觀測成就；然而這一發現可真是來之不易。
從背景輻射中，利用多普勒效應減去一個偶極，其中後者乃源於地球相對於共動宇宙靜止參照係有相對運動，星球以相當371 km/s的速度朝向獅子座移動。減去偶極後，宇宙微波背景是均勻的輻射，黑體輻射的熱能來自整個天空。輻射是各向同性的，差異約略為1/：方均根變異隻有18μk，宇宙微波背景偶極以及在更高階的多極矩上的相差已經得到測量，其結果同銀河係運動的影響相一致。
在大爆炸模型下形成的宇宙，暴脹宇宙預測，約10秒之後的新生宇宙會以指數成長，撫平了幾乎所有的不均勻性。其餘的不均勻性由量子攝動在暴脹場中引發宇宙暴脹事件。在10秒之後，早期宇宙由充滿著高溫、以電子、質子、重子與光子相互作用的等離子體所組成。當宇宙膨脹，絕熱冷卻導致等離子體的能量密度降低，直到環境變得有利於電子與質子結合，形成氫原子。複合發生時，溫度約為3000 k，當時的宇宙約37.9萬歲。在這一點上，光子不再與已是電中性的原子相互作用，並開始自由的在空間中旅行，導致物質與輻射退耦合。
脫耦光子的色溫逐漸減少，如今降至2.7260 ± 0.0013 k，隨著宇宙膨脹，其溫度將繼續下降。根據大爆炸模型，所測的天際輻射來自一種稱為“最後散射麵”的球麵。此為空間中預測為脫耦事件發生及恰好傳遞至觀測者的光子之時間點的點集合。所有宇宙中的輻射能都是宇宙微波背景輻射。
大爆炸理論的兩個最偉大成就為其近乎完美的黑體輻射能譜及其詳細地預測宇宙微波背景輻射的各向異性。宇宙微波背景頻譜已成為最精確測量的黑體輻射能譜。
宇宙微波背景的各向異性分為兩種：初階各向異性，這是源於在最後散射麵及之前發生的影響；及二階各向異性，這是源於與背景熱氣體的輻射相互作用或重力勢能影響，後者發生在最後散射麵與觀察者之間。
宇宙微波背景輻射各向異性的結構主要源於兩方麵的影響：擴散阻尼（也稱為碰撞阻尼）。因為光子-重子在早期宇宙的等離子體中碰撞而產生。光子的壓力趨於消除各向異性，而重力吸引重子——移動的速度比光子慢得多——讓他們往往坍縮形成緻密的類星體。這兩種效應競爭創造給予微波背景輻射特征的峰值結構。這些峰值大致對應，並與光子脫耦當時為峰值振幅的一個模式共振。
這些峰值包含了有趣的物理特征。第一峰值的角尺度決定了宇宙曲率（但不是宇宙拓樸學）。下一個峰值——奇數峰值對偶數峰值比——決定了限縮重子密度。第三峰值可用來獲取暗物質密度的資訊。
峰值的位置也給出了對初始密度擾動有關重的重要資訊。密度擾動有兩種基本型別，稱為“絕熱”和“等曲率”。一般的密度擾動是兩者的混合，不同的理論希望去解釋一階密度擾動能譜，預測不同的混合方式。
絕熱密度擾動：每種型別的粒子（重子、光子…）的額外密度比例是相同的。也就是說，如果在一個地方有1%以上的重子能量大於平均，那麽那處同樣也有1%以上的光子能量（和1%以上的中微子能量）高於平均。宇宙暴脹預測一階擾動是絕熱的。
等曲率密度擾動：在每個地方（所有不同型別的粒子）的額外密度比之和為零。此即，在某點的重子能量攝動為多於平均的1%，則光子能量大於平均1%，及2%的中微子能量小於平均，這就是純粹的等曲率擾動。宇宙弦將產生絕大多數的等曲率一階擾動。
宇宙微波背景光譜可以區分這兩種，因這兩種型別的擾動會產生不同的峰值位置。等曲率密度擾動將產生一係列的峰值，其角尺度（“l”，峰值的數）的比例約為1:3:5:…，而絕熱密度擾動所產生的峰值其位置以比例1:2:3:…觀測結果在一階密度攝動上完全與絕熱的一致，對暴漲提供了關鍵的支援，並排除了許多結構形成的理論，如宇宙弦。
碰撞阻尼是源於兩方麵的影響，當初階等離子體流體開始被打破時：當等離子體在膨脹的宇宙中變得越來越稀薄時，光子的平均自由路徑將增加。
最後散射麵的深度（lss）有限，其導致在脫耦期間，甚至康普頓散射仍在發生，平均自由路徑也頓時增加。
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