太阳光打在空中的球形水滴上，造成色散和反射。阳光进入水滴，会同时以不同的角度进入，也会在水滴中以不同的角度反射。其中40到42度的反射最强，造成了我们看到的彩虹。发生这种反射时，太阳光进入水滴，折射一次，然后在水滴背面反射，最后离开水滴时再次折射，共一次反射两次折射。因为水可以分散光线，所以不同波长的光折射率是不一样的。红光的折射率小于蓝光，而蓝光的偏转角大于红光。因为光线在水滴中被反射，观察者看到的光谱是颠倒的，红光在顶部，其他颜色在底部。所以彩虹和霓虹灯的高度是不一样的，颜色的层次顺序正好相反。

彩虹最常出现在天气转晴的下午或雨后。从外圈到内圈，呈现红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色，其位置会随着观察者位置的变化而偏移。