Questo fenomeno ottico è causato dalla rifrazione e dalla riflessione della luce solare sulle gocce di pioggia, la cui dimensione varia da 0,25 a circa 3 mm. La luce viene scomposta nei suoi colori singoli e riflessa con un angolo di circa 42 gradi. Poiché sono necessari sia la pioggia che il sole, gli arcobaleni compaiono tipicamente in occasione di rovesci e temporali isolati.

Più il sole è basso sull’orizzonte, e più l'arcobaleno appare grande e suggestivo. Le condizioni migliori si hanno al mattino presto, nel tardo pomeriggio o alla sera. Quando le gocce di pioggia sono grandi, la luce del sole viene rifratta con maggiore intensità e l'arcobaleno appare particolarmente luminoso e nitido. Con gocce piccole, i colori appaiono invece più tenui. E se dietro l'arcobaleno si vede ancora la nuvola scura del rovescio o del temporale che si allontana, il contrasto di colori è ottimale.
Anche se vi sono gocce di pioggia e il sole splende, non sempre si vede un arcobaleno. Il motivo risiede nella rifrazione che avviene con un angolo di circa 42 gradi: se il sole si trova a più di 42 gradi sopra l’orizzonte, l’arcobaleno si proietta verso il suolo e non è visibile. Di conseguenza, durante i mesi estivi non è possibile vedere arcobaleni durante il giorno. Nel giorno più lungo dell'anno, con un'altezza massima del sole di 66 gradi sopra l'orizzonte, gli arcobaleni compaiono addirittura solo la sera dopo le 17. Inizialmente sono visibili solo molto in basso in prossimità dell’orizzonte. Man mano che il sole scende, l’arcobaleno si innalza sempre più in alto nel cielo.
A volte, oltre all'arcobaleno principale (di primo ordine), si può notare anche un arcobaleno secondario (di secondo ordine). In un arcobaleno secondario, la luce solare subisce una doppia rifrazione sulla parete interna delle gocce di pioggia prima di essere riflessa verso l'osservatore. I colori dell'arcobaleno secondario appaiono quindi in ordine invertito rispetto all'arcobaleno principale.

Quando si forma un doppio arcobaleno, tra i due archi si distingue chiaramente una fascia scura tra i due arcobaleni, denominata «banda oscura di Alessandro», all’interno della quale la luce del sole viene riflessa verso i nostri occhi solo in misura limitata, motivo per cui la percepiamo appunto più scura.
