Regenbögen bilden sich, wenn Sonnenlicht hinter dem Betrachter in Wassertropfen eindringt. Die Geometrie der Wassertropfen ermöglicht Brechung und Reflexion. Sonnenlicht, das aus Licht verschiedener Wellenlängen besteht, wird beim Eintritt in das Wassertröpfchen durch Brechung in die konstituierenden Wellenlängen aufgespalten und dann von der Innenfläche des Tröpfchens zum Betrachter reflektiert. Beim Austritt aus dem Tröpfchen wird der Strahl erneut gebrochen.
Der Lichtstrahl kann mehrere interne Reflexionen innerhalb des Wassertropfens erfahren. Sekundäre Regenbogen bilden sich, wenn das Licht zweimal im Tröpfchen reflektiert wird, bevor es austritt. Licht kann im Tröpfchen bis zu sechsmal reflektiert werden.
Die Größe der Wassertröpfchen hat keinen Einfluss auf die Geometrie des Regenbogens. Sehr kleine Tröpfchen, beispielsweise in Nebel oder Nebel, verringern jedoch die Wirkung. Der Streueffekt übertrifft den Effekt der Streuung des Lichts in seine Komponentenfarben aufgrund der Brechung. Ein so gebildeter "Nebelbogen" hat den gleichen Bogen wie ein Regenbogen, jedoch fehlen ihm die Spektralfarben und er erscheint als weißer Bogen. Mondbögen bilden sich auch nachts. Sie erscheinen weiß, weil das menschliche Auge nachts weniger farbempfindlich ist.
Regenbögen sind nur von einer bestimmten Position aus sichtbar und verändern und bewegen sich, wenn sich der Betrachter bewegt. Aufgrund des Perspektivwechsels erscheinen sie für verschiedene Betrachter unterschiedlich.
Es ist möglich, die Lichtbrechung von Regenbogen mit einem Glasprisma nachzubilden. Die Anzahl der in gebrochenem Licht sichtbaren Farben kann bis zu 100 betragen, jedoch kann sich die Anzahl der sichtbaren Farben aufgrund der Vielzahl von Variablen bei der Bildung eines Regenbogens stark ändern. Die sieben Farben, die mit Regenbogen verbunden sind - Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau. Indigo und Violett, geht auf Isaac Newton zurück, den er mit den sieben Tönen einer Tonleiter in Verbindung brachte.
