O arco-íris se forma quando a luz do sol entra em gotas de água por trás do visualizador. A geometria das gotículas de água permite refração e reflexão. A luz solar, que é composta de luz de diferentes comprimentos de onda, divide-se nos comprimentos de onda constituintes devido à refração quando entra na gota d'água e é então refletida da superfície interna da gota para o observador. O raio sofre refração novamente quando sai da gota.
O raio de luz pode sofrer vários reflexos internos dentro da gota d'água. O arco-íris secundário se forma quando a luz reflete duas vezes dentro da gota antes de sair. A luz pode refletir até seis vezes dentro da gota.
O tamanho das gotas de água não afeta a geometria do arco-íris. No entanto, gotículas muito pequenas, como as da névoa ou neblina, reduzem o efeito. O efeito de dispersão supera o efeito de dispersão da luz em suas cores componentes devido à refração. Um "arco-íris" assim formado tem o mesmo arco que um arco-íris, mas não tem as cores espectrais e aparece como um arco branco. Moonbows também se formam à noite. Eles parecem brancos porque os olhos humanos são menos sensíveis à cor à noite.
Os arco-íris são visíveis apenas de uma determinada posição e se alteram e se movem conforme o observador se move. Eles parecem diferentes para diferentes espectadores devido à mudança de perspectiva.
É possível recriar a refração da luz vista em arco-íris usando um prisma de vidro. O número de cores vistas na luz refratada pode chegar a 100, entretanto, devido ao grande número de variáveis na formação de um arco-íris, o número de cores visíveis pode mudar muito. As sete cores associadas ao arco-íris - vermelho, laranja, amarelo, verde, azul. índigo e violeta, podem ser rastreados até Isaac Newton, que ele associou às sete notas em uma escala musical.
