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微波背景辐射的最重要特征是具有黑体辐射谱，在0.3厘米－75厘米波段，可以在地面上直接测到；在大于100厘米的射电波段，银河系本身的超高频辐射掩盖了来自河外空间的辐射，因而不能直接测到；在小于0.3厘米波段，由于地球大气辐射的干扰，要依靠气球、火箭或卫星等空间探测手段才能测到。从0.54厘米直到数十厘米波段内的测量表明，背景辐射是温度近于2.7K的黑体辐射，习惯称为3K背景辐射。黑体谱现象表明，微波背景辐射是极大的时空范围内的事件。因为只有通过辐射与物质之间的相互作用，才能形成黑体谱。由于现今宇宙空间的物质密度极低，辐射与物质的相互作用极小，所以，我们观测到的黑体谱必定起源于很久以前。微波背景辐射应具有比遥远星系和射电源所能提供的更为古老的信息。微波背景辐射的另一特征是具有极高度的各向同性。这有两方面的含义：首先是小尺度上的各向同性。在小到几十弧分的范围内，辐射强度的起伏小于0.2-0.3%；其次是大尺度上的各向同性。沿天球各个不同方向，辐射强度的涨落小于0.3%。各向同性说明，在各个不同方向上，在各个相距非常遥远的天区之间，应当存在过相互的联系。
宇宙充满了温度刚刚超过开氏2.7度、能用地面射电望远镜和人造卫星上的仪器探测到的辐射之海。这被解释为宇宙由之诞生的大爆炸火球的直接证据。因而背景辐射的发现，是自埃德温·哈勃发现宇宙膨胀以来宇宙学方面最重要的观测成就；然而这一发现可真是来之不易。
从背景辐射中，利用多普勒效应减去一个偶极，其中后者乃源于地球相对于共动宇宙静止参照系有相对运动，星球以相当371 k/s的速度朝向狮子座移动。减去偶极后，宇宙微波背景是均匀的辐射，黑体辐射的热能来自整个天空。辐射是各向同性的，差异约略为1/：方均根变异只有18μK，宇宙微波背景偶极以及在更高阶的多极矩上的相差已经得到测量，其结果同银河系运动的影响相一致。
在大爆炸模型下形成的宇宙，暴胀宇宙预测，约10秒之后的新生宇宙会以指数成长，抚平了几乎所有的不均匀性。其余的不均匀性由量子摄动在暴胀场中引发宇宙暴胀事件。在10秒之后，早期宇宙由充满着高温、以电子、质子、重子与光子相互作用的等离子体所组成。当宇宙膨胀，绝热冷却导致等离子体的能量密度降低，直到环境变得有利于电子与质子结合，形成氢原子。复合发生时，温度约为3000 K，当时的宇宙约37.9万岁。在这一点上，光子不再与已是电中性的原子相互作用，并开始自由的在空间中旅行，导致物质与辐射退耦合。
脱耦光子的色温逐渐减少，如今降至2.7260 ± 0.0013 K，随着宇宙膨胀，其温度将继续下降。根据大爆炸模型，所测的天际辐射来自一种称为“最后散射面”的球面。此为空间中预测为脱耦事件发生及恰好传递至观测者的光子之时间点的点集合。所有宇宙中的辐射能都是宇宙微波背景辐射。
大爆炸理论的两个最伟大成就为其近乎完美的黑体辐射能谱及其详细地预测宇宙微波背景辐射的各向异性。宇宙微波背景频谱已成为最精确测量的黑体辐射能谱。
宇宙微波背景的各向异性分为两种：初阶各向异性，这是源于在最后散射面及之前发生的影响；及二阶各向异性，这是源于与背景热气体的辐射相互作用或重力势能影响，后者发生在最后散射面与观察者之间。
宇宙微波背景辐射各向异性的结构主要源于两方面的影响：扩散阻尼（也称为碰撞阻尼）。因为光子-重子在早期宇宙的等离子体中碰撞而产生。光子的压力趋于消除各向异性，而重力吸引重子——移动的速度比光子慢得多——让他们往往坍缩形成致密的类星体。这两种效应竞争创造给予微波背景辐射特征的峰值结构。这些峰值大致对应，并与光子脱耦当时为峰值振幅的一个模式共振。
这些峰值包含了有趣的物理特征。第一峰值的角尺度决定了宇宙曲率（但不是宇宙拓朴学）。下一个峰值——奇数峰值对偶数峰值比——决定了限缩重子密度。第三峰值可用来获取暗物质密度的信息。
峰值的位置也给出了对初始密度扰动有关重的重要信息。密度扰动有两种基本类型，称为“绝热”和“等曲率”。一般的密度扰动是两者的混合，不同的理论希望去解释一阶密度扰动能谱，预测不同的混合方式。
绝热密度扰动：每种类型的粒子（重子、光子…）的额外密度比例是相同的。也就是说，如果在一个地方有1%以上的重子能量大于平均，那么那处同样也有1%以上的光子能量（和1%以上的中微子能量）高于平均。宇宙暴胀预测一阶扰动是绝热的。
等曲率密度扰动：在每个地方（所有不同类型的粒子）的额外密度比之和为零。此即，在某点的重子能量摄动为多于平均的1%，则光子能量大于平均1%，及2%的中微子能量小于平均，这就是纯粹的等曲率扰动。宇宙弦将产生绝大多数的等曲率一阶扰动。
宇宙微波背景光谱可以区分这两种，因这两种类型的扰动会产生不同的峰值位置。等曲率密度扰动将产生一系列的峰值，其角尺度（“l”，峰值的数）的比例约为1:3:5:…，而绝热密度扰动所产生的峰值其位置以比例1:2:3:…观测结果在一阶密度摄动上完全与绝热的一致，对暴涨提供了关键的支持，并排除了许多结构形成的理论，如宇宙弦。
碰撞阻尼是源于两方面的影响，当初阶等离子体流体开始被打破时：当等离子体在膨胀的宇宙中变得越来越稀薄时，光子的平均自由路径将增加。
最后散射面的深度（LSS）有限，其导致在脱耦期间，甚至康普顿散射仍在发生，平均自由路径也顿时增加。