想象你看着东边的彩虹，太阳在从背后的西边落下。白色的阳光（彩虹中所有颜色的组合）穿越了大气，向东通过了你的头顶，碰到了从暴风雨落下的水滴。当一道光束碰到了水滴，会有两种可能：一是光可能直接穿透过去，或者更有趣的是，它可能碰到水滴的前缘，在进入时水滴内部产生弯曲，接着从水滴后端反射回来，再从水滴前端离开，往我们这里折射出来。这就是形成彩虹的光。光穿越水滴时弯曲的程度，端视光的波长（即颜色）而定——红色光的弯曲度最大，橙色光与黄色光次之，依此类推，弯曲最少的是紫色光。每种颜色各有特定的弯曲角度，阳光中的红色光，折射的角度是42度，蓝色光的折射角度只有40度，所以每种颜色在天空中出现的位置都不同。若你用一条假想线，连接你的后脑勺和太阳，那么与这条线呈42度夹角的地方，就是红色所在的位置。这些不同的位置勾勒出一个弧。既然蓝色与假想线只呈40度夹角，所以彩虹上的蓝弧总是在红色的下面。彩虹之所以为弧型这当然与其形成有着不可分割的关系，同样这也与地球的形状有很大的关系，由于地球表面为一曲面而且还被厚厚的大气所覆盖，在雨后空气中的水含量比平时高，当阳光照射入空气中的小水滴形成了折射，同时由于地球表面的大气层为一弧面从而导致了阳光在表面折射形成了我们所见到的弧形彩虹！
那如果一簇平行光线射入水珠又是什么情况呢？如下图所示，可以发现经水珠两次折射后，一部分光线散射出去，还有一部分光线则非常密集地射向（大致的）同一方向。实际上 可以证明 ，越靠近红线处的光线越密集，光强越大。这条红线就被称作为彩虹线。大气层是圆的。根据光学原理，彩虹是太阳光照射到雨滴（水气）上发生色散形成的。当观察者背向太阳时雨区在正前方，则看到拱形彩虹。有时也可看到一条彩带，称为霓。若在飞机上观察，虹和霓可能为完整的圆环。光经过球形水滴上会发生多次反射和折射。根据光折射原理，光经水滴折射后其入射线方向发生了变化。第三次折射与虹有关，第四次折射与霓有关。
彩虹是由于阳光照射空中的圆形小水滴，经过一系列折射以及反射后形成的景象。阳光是从不同角度射入水滴的，反射出的光线也朝向不同的角度，而只有某个特定角度（大约是40°到42°）的光线的强度最强，只有这个角度的光线进入人眼后，人才能看到彩虹。因此，如果以人眼为中心，沿平行于太阳光的方向做一条轴线，那么以同一角度进入人眼的光线就会围绕这条轴线形成一个圆锥面。傍晚的太阳光方向几乎平行于地面，这时圆锥面映入人眼以后近似是一个完整的圆环。如果阳光不平行于地面，圆锥面一部分被地势遮住，这时人看到的彩虹就是一段圆弧了。
