Ра­ду­га воз­ни­ка­ет из-за того, что сол­неч­ный свет ис­пы­ты­ва­ет пре­лом­ле­ние в ка­пель­ках воды, дождя или ту­ма­на, па­ря­щих в ат­мо­сфе­ре. Эти ка­пель­ки по-раз­но­му от­кло­ня­ют свет раз­ных цве­тов, в ре­зуль­та­те чего белый свет раз­ла­га­ет­ся в спектр. Дан­ное яв­ле­ние вы­зва­но дис­пер­си­ей. На­блю­да­те­лю ка­жет­ся, что из про­стран­ства по кон­цен­три­че­ским кру­гам (дугам) ис­хо­дит раз­но­цвет­ное све­че­ние (при этом ис­точ­ник яр­ко­го света все­гда дол­жен на­хо­дить­ся за спи­ной на­блю­да­те­ля). Ра­ду­га пред­став­ля­ет собой ка­у­сти­ку, воз­ни­ка­ю­щую при пре­лом­ле­нии и от­ра­же­нии (внут­ри капли) пло­ско­па­рал­лель­но­го пучка света на сфе­ри­че­ской капле. Чаще всего на­блю­да­ет­ся пер­вич­ная ра­ду­га, при ко­то­рой свет пре­тер­пе­ва­ет одно внут­рен­нее от­ра­же­ние. В пер­вич­ной ра­ду­ге крас­ный цвет на­хо­дит­ся сна­ру­жи дуги, её уг­ло­вой ра­ди­ус со­став­ля­ет 40-42°.

Ино­гда можно уви­деть ещё одну, менее яркую ра­ду­гу во­круг пер­вой. Это вто­рич­ная ра­ду­га, в ко­то­рой свет от­ра­жа­ет­ся в капле два раза. Во вто­рич­ной ра­ду­ге «перевёрну­тый» по­ря­док цве­тов  — сна­ру­жи на­хо­дит­ся фи­о­ле­то­вый, а внут­ри крас­ный. Уг­ло­вой ра­ди­ус вто­рич­ной ра­ду­ги 50-53°.

Небо между двумя ра­ду­га­ми обыч­но имеет за­мет­но более тёмный от­те­нок. Также воз­мож­но на­блю­де­ние ра­ду­ги и более вы­со­ких по­ряд­ков, но уже, пре­иму­ще­ствен­но, в ла­бо­ра­тор­ных усло­ви­ях.

В яркую лун­ную ночь можно на­блю­дать и ра­ду­гу от Луны. По­сколь­ку че­ло­ве­че­ское зре­ние устро­е­но […], что при сла­бом осве­ще­нии наи­бо­лее чув­стви­тель­ные ре­цеп­то­ры глаза  — «па­лоч­ки»  — не вос­при­ни­ма­ют цвета, лун­ная ра­ду­га вы­гля­дит бе­ле­сой; чем ярче свет, тем «цвет­нее» ра­ду­га (в её вос­при­я­тие вклю­ча­ют­ся цве­то­вые ре­цеп­то­ры  — «кол­боч­ки»).