La science a longtemps délaissé les témoignages qui lui parvenaient, considérés comme trop épars et de fiabilité non prouvée. En 1859, un témoin d'une pluie de poissons à Moutain Ash, au Pays de Galles, envoie un spécimen au zoo de Londres, et le directeur du British Museum, J. E. Gray, déclare « À la lumière des faits, il semble que le plus probable est qu'il ne s'agisse que d'une blague : l'un des employés de Mr. Nixon a renversé un seau d'eau rempli de poissons sur l'autre, ce dernier pensant alors qu'ils tombaient du ciel. »
C'est donc logiquement que les pluies d'animaux sont restées longtemps sans explication scientifique, si bien que les théories les plus saugrenues se sont développées.
Au IVe siècle av. J.-C., le philosophe grec Théophraste nie l’existence des pluies de crapauds en expliquant simplement que les crapauds ne tombent pas avec la pluie, mais que c’est la pluie qui les fait sortir de terre.
Au XVIe siècle, Reginald Scot avance une première hypothèse. Selon lui « il est certain que certaines créatures sont générées spontanément, et n'ont pas besoin de parents. Par exemple, […] ces grenouilles venues de nulle part. Elles sont transportées par la pluie. Ces créatures grandissent d’elles-mêmes et naissent des averses... »
Au XIXe siècle, certains imaginèrent que l'évaporation des eaux faisait monter les œufs de grenouilles dans les nuages où ils éclosaient avant de redescendre sur terre dans l'averse.
André-Marie Ampère, tenant, contrairement à la plupart de ses collègues, les nombreux témoignages de son temps pour vrais, tenta de proposer une explication aux pluies de crapauds, explication proche de celle désormais avancée par les scientifiques. Il avança à la Société des sciences naturelles qu’à une certaine saison, les crapauds et les grenouilles vagabondaient en très grand nombre et groupés dans les campagnes, si bien que les coups de vents pouvaient en capturer une grande quantité et les déplacer plus loin.
Une explication scientifique récente du phénomène est qu'il serait dû aux trombes marines. Les vents tourbillonnant au sol d'un tel phénomène sont capables de capturer, grâce à une combinaison de la dépression dans la trombe et de la force exercée par le vent vers celle-ci, des objets et des animaux. Les animaux terrestres et les poissons seraient capturés depuis la surface, tandis que les oiseaux le seraient parfois en plein vol.
Par la suite, ces trombes, ou même tornades, les transporteraient à des altitudes relativement élevées et sur d'assez longues distances. Ainsi, les vents seraient capables de capturer des animaux sur une surface relativement large pour ensuite les laisser tomber, au contraire, en masse en un point très localisé. Plus spécifiquement, certaines tornades et trombes seraient capables d’assécher totalement une mare, avant de relâcher l’eau et ses habitants (batraciens et autres), plus loin, sous la forme de pluie d’animaux.
Cette explication semble logiquement confirmée par la nature des animaux généralement transportés : petits et légers et souvent issus du milieu aquatique, tandis que le phénomène est très souvent précédé d'un orage. D’autres détails posent au contraire problème. Pourquoi les animaux retombent-ils le plus souvent vivants, et même parfois en parfait état ? L’autre problème est de savoir pourquoi la plupart du temps, chaque manifestation du phénomène se caractérise par la chute d’une espèce animale en particulier. Comme le note William R. Corliss, « le mécanisme transporteur, quelle que soit sa nature, préfère sélectionner une seule espèce de poisson ou de grenouille, ou de l’animal inscrit au menu du jour ». Comment expliquer cette étrange sélection ? Et ne devrait-on pas alors aussi voir des pluies d’algues, de gravillons ou de plantes aquatiques (lentilles d'eau par exemple) ?
Dans le cas d’oiseaux, cela pourrait s'expliquer par le fait que la trombe croise un vol d’une espèce particulière en temps de migration. Un exemple de rencontre bien spécifique entre un orage et un vol de chauve-souris, à droite, est pris sur le vif par un radar météorologique du National Weather Service américain à Del Rio (Texas). Il illustre comment on pourrait prouver le phénomène dans ce cas : les chauve-souris sont dans la zone en rouge qui correspond à des vents s’éloignant du radar (le centre blanc en bas à droite) et entrant dans le mésocyclone associé à une tornade, en vert. L'auteur mentionne d'ailleurs que ces rencontres sont assez fréquentes avec les oiseaux, ce qui leur est fatal. Par contre, pour les animaux terrestres, une explication plausible est plus difficile. Il semble qu'une part d'énigme survive encore à cette explication scientifique.
Dans quelques cas, certaines explications scientifiques nient la thèse de la pluie de poissons. Ainsi, dans le cas de celle de Singapour en 1861, le naturaliste français Francis de Laporte de Castelnau explique que l'averse eut lieu pendant une migration de poissons-chats, et que ces animaux étaient capables (comme les anguilles qui peuvent parcourir des kilomètres dans les prairies humides ou comme les brochets qui vont se reproduire dans les prairies inondées) de ramper sur terre afin d'aller d'un point d'eau à un autre. Donc l'averse et le fait de voir des poissons au sol ne pourrait être que coïncidence, d'autant qu'ils se déplacent généralement sur un sol humide de rosée ou après une pluie ou une inondation.
Parmi les explications non scientifiques du phénomène, on trouve des interprétations supranaturelles ou encore des interventions d'extraterrestres :
Dans les théories supranaturelles et religieuses, selon la nature des objets qui tombent du ciel, le phénomène est perçu comme un châtiment (les pierres qui s'abattent sur l'armée amorite dans l’Ancien Testament) ou un signe de providence et de bonté divine lorsqu'il s'agit d'animaux comestibles.
D'autres théories sur l’intervention d’extraterrestres décrivent des visiteurs recueillant une grande quantité de vivres puis les laissant tomber lorsqu’ils quittent notre planète pour une nouvelle destination lointaine. Les pluies de sang et de chair seraient liées à un tri opéré par les visiteurs afin d'alléger leurs stocks.
Également assez ésotériques, des théories fondées sur l'existence de plusieurs dimensions et espaces-temps, prenant comme a priori la possibilité de la téléportation, tentent d'expliquer comment des animaux peuvent se trouver là où ils ne devraient pas être. Le journaliste Charles Hoy Fort (cf. infra) a développé ce genre d'explications. Selon lui il existerait une force susceptible de transporter instantanément des objets, pouvoir jadis puissant, mais ne se manifestant plus aujourd'hui que par des actions désordonnées comme les pluies de poissons. Une autre des hypothèses de Charles Hoy Fort repose sur l'existence d'une « mer supérieure des Sargasses », un genre de réservoir de matière dans les cieux aspirant et recrachant des objets terrestres.