Ces particules voyagent à des vitesses extrêmement proches de celle de la lumière, transportant ainsi une énergie cinétique considérable. Celle-ci peut varier sur une très large gamme, allant de millions d'électronvolts (MeV) à des énergies dépassant 10²⁰ électronvolts, soit bien plus que ce qui peut être produit dans les accélérateurs de particules terrestres les plus puissants. Le spectre d'énergie des rayons cosmiques suit une loi de puissance décroissante : plus l'énergie est élevée, moins les particules sont nombreuses. Ce spectre présente de caractéristiques (inflexions) qui pourraient marquer des transitions dans leurs sources ou leurs mécanismes de propagation.

L'origine des rayons cosmiques est multiple et constitue un domaine de recherche actif. 

• Les rayons cosmiques de basse énergie (jusqu'à quelques dizaines de GeV) proviennent majoritairement du Soleil lors d'éruptions solaires ou d'éjections de masse coronale; on les appelle les particules énergétiques solaires et on parle ordinairement de vent solaire, plutôt que de rayonnement cosmique pour qualifier ce flux. Le vent solaire peut interagir avec le champ magnétique terrestre et produit des aurores polaires.

• Les rayons cosmiques dits galactiques, qui constituent la majeure partie du flux, proviennent de l'extérieur du Système solaire mais de l'intérieur de notre galaxie, la Voie Lactée. On pense que les restes de supernovae (l'explosion d'tétoiles massives en fin de vie) et les pulsars sont les principaux sites d'accélération de ces particules jusqu'à des énergies très élevées (jusqu'à environ 10¹⁷-10¹⁸ eV). Les mécanismes d'accélération dans ces environnements extrêmes impliquent probablement des ondes de choc et des champs magnétiques intenses (processus de Fermi). Les particules énergétiques produites lors de ces explosions peuvent parcourir de grandes distances dans l'espace avant d'atteindre la Terre.

• Les rayons cosmiques d'ultra-haute énergie (au-delà de 10¹⁸ eV) sont plus rares et leur origine est encore plus mystérieuse. Ils pourraient provenir des sursauts gamma, des noyaux actifs de galaxies (AGN) ou d'autres phénomènes cosmiques violents se produisant en dehors de notre galaxie.

Lorsqu'un rayon cosmique primaire (une particule arrivant de l'espace) pénètre dans l'atmosphère terrestre, il entre en collision avec les noyaux des atomes de l'air (principalement l'azote et l'oxygène). Cette collision initie une "gerbe atmosphérique" ou "cascade". L'énergie du rayon cosmique primaire est transférée à de nombreuses particules secondaires qui sont produites lors de cette première interaction, comme des pions (mésons π). Ces particules secondaires entrent à leur tour en collision avec d'autres noyaux atmosphériques, créant de nouvelles particules, et ainsi de suite. Cette cascade de particules s'étend et s'intensifie en descendant dans l'atmosphère. Parmi les particules secondaires produites, on trouve des muons (des cousins plus lourds des électrons), des électrons, des positrons, des photons, des neutrons et des neutrinos. Une partie significative de ces particules secondaires, notamment les muons, peut atteindre la surface de la Terre, voire s'enfoncer sous terre.

L'étude des rayons cosmiques se fait de différentes manières. Les détecteurs embarqués sur des ballons, des satellites ou des sondes spatiales mesurent directement les rayons cosmiques primaires avant qu'ils n'interagissent avec l'atmosphère. Les observatoires au sol étudient indirectement les rayons cosmiques d'énergie plus élevée en détectant les particules secondaires des gerbes atmosphériques (avec des détecteurs de surface, des télescopes à fluorescence qui observent la lumière UV émise par l'excitation de l'azote de l'air) ou en détectant les neutrinos produits.

Les rayons cosmiques constituent une source d'information précieuse sur les processus d'accélération de particules les plus énergétiques de l'Univers et sur la composition du milieu interstellaire. Ils sont également un laboratoire naturel pour étudier les interactions fondamentales des particules à des énergies inatteignables sur Terre. De plus, ils ont un impact sur notre environnement : ils contribuent à l'ionisation de l'atmosphère, influencent le climat spatial (en particulier les particules solaires qui peuvent perturber les communications et les systèmes de navigation), et constituent une source de rayonnement pour les vols en haute altitude et les voyages spatiaux, représentant un risque potentiel pour les astronautes et les équipements électroniques.

Les éléments légers comme le lithium, le béryllium et le bore que l'on trouve dans les rayons cosmiques se forment principalement par la fragmentation de noyaux plus lourds (spallation) lors de leurs voyages à travers le milieu interstellaire.