Les arcs-en-ciel se forment lorsque la lumière du soleil pénètre dans les gouttelettes d'eau derrière le spectateur. La géométrie des gouttelettes d'eau permet la réfraction et la réflexion. La lumière du soleil, qui est composée de lumière de différentes longueurs d'onde, se divise en longueurs d'onde constituantes en raison de la réfraction lorsqu'elle pénètre dans la gouttelette d'eau, et elle est ensuite réfléchie de la surface interne de la gouttelette vers le spectateur. Le rayon subit à nouveau une réfraction lorsqu'il sort de la gouttelette.
Le rayon lumineux peut subir plusieurs réflexions internes dans la goutte d'eau. Des arcs-en-ciel secondaires se forment lorsque la lumière se réfléchit deux fois à l'intérieur de la gouttelette avant de sortir. La lumière peut se refléter jusqu'à six fois à l'intérieur de la gouttelette.
La taille des gouttelettes d'eau n'affecte pas la géométrie de l'arc-en-ciel. Cependant, de très petites gouttelettes, comme celles de la brume ou du brouillard, réduisent l'effet. L'effet de diffusion surpasse l'effet de dispersion de la lumière dans ses couleurs composantes en raison de la réfraction. Un "arc de brume" ainsi formé a le même arc qu'un arc-en-ciel, mais il n'a pas les couleurs spectrales et apparaît comme un arc blanc. Les arcs lunaires se forment également la nuit. Ils apparaissent blancs car les yeux humains sont moins sensibles aux couleurs la nuit.
Les arcs-en-ciel ne sont visibles que depuis une position particulière, et ils se modifient et se déplacent au fur et à mesure que le spectateur se déplace. Ils semblent différents pour différents téléspectateurs en raison du changement de perspective.
Il est possible de recréer la réfraction de la lumière observée dans les arcs-en-ciel en utilisant un prisme en verre. Le nombre de couleurs vues dans la lumière réfractée peut aller jusqu'à 100, cependant, en raison du grand nombre de variables dans la formation d'un arc-en-ciel, le nombre de couleurs visibles peut changer considérablement. Les sept couleurs associées aux arcs-en-ciel : rouge, orange, jaune, vert, bleu. indigo et violet, remonte à Isaac Newton, qu'il associe aux sept notes d'une gamme musicale.
