「虹」形成原因是光線以一定角度照射在大氣中無數的水滴，再經過折射、分光、內反射、再折射等光學過程所造成的大氣現象。此現象若由太陽光線產生者，顏色鮮明；由月亮光產生者，則色澤黯淡。如圖一中所示，當太陽光線從Ａ點進入水滴內，陽光中各色光的折射程度不一樣，紫色光波長最短，其折射程度最大；紅色光波長較長，其折射程度最小。其餘各色則介乎其間，因此形成了一條內紫外紅的光圈，所以我們看到的是內紫外紅的彩色光帶，它的視角(從地面至虹頂的角度)約為42度(如圖二)。

「霓」亦稱副虹，和「虹」的不同僅在於形成過程中光線在雨滴內產生二次反射。因此，光線通過雨滴後射到我們眼內時，光弧彩色排列與虹正好相反，即是內紅外紫的彩色光帶。霓視角約為50度，與正虹為同心圓弧。偶而大氣中會出現三次虹及更高次虹，但因光度低極為罕見。

虹與霓的色彩及寬度，與雨滴的大小有關。雨滴越大，虹帶越窄，色彩也會更鮮明。相反來說，雨滴越小，虹帶越寬，色彩就比較黯淡。但雨滴太小時，分光和反射不明顯，也不會出現虹。此外，如果太陽的角度太大（例如在中午前後），或太小（近日出或日落）也不易看到虹。又因虹是陽光經雨滴反射進入觀察者的緣故，所以永遠出現在太陽的對面，因此朝虹見於西方，夕虹則見於東方。