L'arc-en-ciel est un arc coloré qui apparaît lorsque la lumière solaire frappant des gouttes de pluie est réfractée puis réfléchie vers l'observateur. Lors de ce processus, chaque goutte se comporte comme un minuscule prisme qui disperse les rayons du soleil (selon leur longueur d'onde) en leurs couleurs constituantes. Un des faisceaux de rayons réfléchis, beaucoup plus intenses que le reste, émerge à un angle de 42° par rapport à la trajectoire de la lumière solaire entrante. Les fortes réflexions de chaque goutte de dimension semblable se renforcent l'une l'autre et font apparaître une image du spectre solaire sous la forme d'un arc-en-ciel. La lumière solaire et la pluie sont parfois assez fortes pour produire un deuxième arc-en-ciel plus pâle au-dessus ou au-delà du premier. L'arc-en-ciel secondaire résulte de deux réflexions internes de la lumière dans les gouttes de pluie et apparaît à un angle de 50° (à comparer avec les 42° de l'arc-en-ciel principal engendré par la réflexion interne unique). Pour qu'il y ait un arc-en-ciel, le soleil doit être visible d'un côté et la pluie tomber de l'autre. On n'observe donc que très rarement des arcs-en-ciel durant les pluies frontales généralisées; ils sont réservés aux orages et aux averses légères. À cause des exigences angulaires, il est plus probable d'en observer durant ou après les averses en fin d'après-midi. En de rares occasions, la lumière de la pleine lune peut être suffisamment brillante pour produire un arc-en-ciel pendant une averse nocturne.