O arco-íris é um fenômeno óptico que se forma devido à separação das cores que compõem a luz solar. Ele pode ser observado sempre que houver gotículas de água suspensas na atmosfera e a luz solar estiver brilhando acima do observador em baixa altitude ou ângulo. Ou seja, o arco-íris pode ocorrer durante ou após uma chuva. Esse fenômeno acontece em razão da dispersão da luz.

A dispersão é o fenômeno que causa a separação de uma onda em vários componentes espectrais. A luz do sol é uma onda de luz branca composta por várias cores. Quando essa luz incide sobre uma gota de água, os raios luminosos penetram nela e são refratados, resultando na dispersão. O feixe de luz colorido, dentro da gota, é refletido na superfície interna da gota e sofre um novo processo de refratação, o que provoca a separação das cores que um observador consegue ver. É importante ressaltar que essa dispersão ocorre com todas as gotas de água que estão na superfície recebendo a luz proveniente do sol.

O arco-íris não existe como um objeto físico; trata-se de uma ilusão óptica cuja visualização depende da posição relativa do observador. Todas as gotas de água refratam e refletem a luz da mesma forma, mas apenas algumas cores resultantes desse processo são captadas pelos olhos do observador.

Quando a luz do sol atravessa um trecho de chuva, ela é refletida e refratada no interior das gotas, devolvendo várias cores ao ambiente. Segundo o Departamento de Física da USP, "o arco-íris não existe realmente; é uma ilusão óptica cuja posição aparente depende da posição do observador." Todas as gotas de chuva refratam e refletem a luz do sol da mesma forma, mas apenas a luz de algumas delas chega ao olho do observador.

De acordo com cientistas, às vezes é possível ver um segundo arco-íris, mais fraco, fora do arco-íris principal. Esse raro fenômeno ocorre quando há dupla reflexão da luz do sol nas gotas de chuva. Devido à reflexão extra, as cores do arco são invertidas em comparação com o arco-íris principal.