Cầu vồng hình thành khi ánh sáng mặt trời chiếu vào các giọt nước từ phía sau người xem. Hình dạng của các giọt nước cho phép khúc xạ và phản xạ. Ánh sáng mặt trời, bao gồm ánh sáng có các bước sóng khác nhau, phân tách thành các bước sóng cấu thành do sự khúc xạ khi nó đi vào giọt nước, và sau đó nó bị phản xạ từ bề mặt bên trong của giọt nước tới người xem. Tia lại bị khúc xạ khi nó thoát ra khỏi giọt.
Tia sáng có thể trải qua một số phản xạ bên trong giọt nước. Cầu vồng thứ cấp hình thành khi ánh sáng phản xạ hai lần bên trong giọt nước trước khi thoát ra ngoài. Ánh sáng có thể phản xạ tới sáu lần bên trong giọt.
Kích thước của các giọt nước không ảnh hưởng đến hình dạng của cầu vồng. Tuy nhiên, những giọt rất nhỏ, chẳng hạn như những giọt sương mù hoặc sương mù, sẽ làm giảm tác dụng. Hiệu ứng tán xạ áp đảo hiệu ứng phân tán ánh sáng vào các màu thành phần của nó do hiện tượng khúc xạ. Do đó, một "cầu vồng" được hình thành có hình cung giống như cầu vồng, nhưng nó thiếu các màu quang phổ và xuất hiện dưới dạng một cánh cung màu trắng. Cầu vồng cũng hình thành vào ban đêm. Chúng có màu trắng vì mắt người ít nhạy cảm hơn với màu sắc vào ban đêm.
Cầu vồng chỉ hiển thị từ một vị trí cụ thể và chúng thay đổi và di chuyển khi người xem di chuyển. Chúng có vẻ khác biệt với những người xem khác nhau do quan điểm thay đổi.
Có thể tạo lại sự khúc xạ của ánh sáng nhìn thấy trong cầu vồng bằng cách sử dụng lăng kính thủy tinh. Số lượng màu sắc nhìn thấy trong ánh sáng khúc xạ có thể lên tới 100, tuy nhiên, do số lượng các biến số tuyệt đối trong việc hình thành cầu vồng, số lượng màu sắc nhìn thấy có thể thay đổi rất nhiều. Bảy màu liên quan đến cầu vồng-đỏ, cam, vàng, xanh lá cây, xanh lam. màu chàm và tím, có thể bắt nguồn từ Isaac Newton, mà ông liên kết với bảy nốt trong thang âm nhạc.
