彩虹的形成是由于阳光照射到空中的小水滴上，经过色散和反射而产生。阳光进入水滴时会以不同的角度入射和反射，其中以40至42度的反射最为显著，这是彩虹形成的原理。阳光进入水滴先折射一次，然后在水滴背面反射，最后离开水滴时再折射一次，总共经历一次反射和两次折射。由于水对光有色散作用，不同波长的光的折射率不同，红光的折射率小于蓝光，因此蓝光的偏向角度大于红光，导致观察者看到的光谱是倒置的，红光在上，其他颜色在下。彩虹并不总是出现在半空中的固定位置，它的位置会随着观察者的位置而变化。观察者看到的彩虹总是在太阳相反的方向。彩虹的中心部分是水滴反射放大的太阳影像，因此彩虹内的天空比彩虹外侧的要亮。彩虹的中心位置正好是观察者头部影子的方向，而彩虹本身则在观察者头部的影子与眼睛一线以上40°至42°的位置。因此，当太阳高度超过42度时，彩虹会位于地平线以下，不可见，这也是彩虹为什么很少在中午出现的原因。彩虹的跨度大约是84°。要使用35mm照相机拍摄整条彩虹，需要使用焦距在19mm以下的广角镜头。如果在飞机上，会看到彩虹是完整的圆形，而不是拱形，圆形彩虹的中心是飞机的行进方向。除了主彩虹外，还会出现第二道彩虹，即霓。霓是由阳光在雨滴内两次反射和两次折射产生的，其颜色排列与主彩虹相反，蓝色在外，红色在内。霓比主彩虹暗淡，因为两次反射导致更多的光线散射，散布区域更广。在主彩虹和霓之间的未照亮区域被称为亚历山大带。更暗的第三道和第四道彩虹也曾经被拍摄过，它们出现在太阳同一侧的天空，第三道与太阳相距约40°，第四道约为45°，由于阳光的关系，肉眼很难看到。在实验室条件下，使用明亮的光线和激光，可以观察到更高阶的彩虹。据报道，吴等人于1998年使用类似方法，观察到了200阶的彩虹。当彩虹出现在水面的物体上时，可能会同时出现反射彩虹和被反射彩虹。反射彩虹是由阳光首先被水面反射产生的，如果水面足够大且平静，反射彩虹可能出现在地平线之上。全圆彩虹是由于雨滴对阳光的“内反射”造成的，这种现象是由于雨滴和空气的折射率不同导致的。
