彩虹是气象中的一种光学现象。当阳光照射到半空中的雨点，光线被折射及反射，在天空上形成拱形的七彩的光谱。彩虹七彩颜色，从外至内分别为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。
彩虹是因为阳光射到空中接近圆形的小水滴，造成色散及反射而成。阳光射入水滴时会同时以不同角度入射，在水滴内亦以不同的角度反射。当中以40°—42°的反射最为强烈，形成我们所见到的彩虹。造成这种反射时，阳光进入水滴，先折射一次，然后在水滴的背面反射，最后离开水滴时再折射一次。因为水对光有色散的作用，不同波长的光的折射率不同，蓝光的折射角度比红光大。由于光在水滴内被反射，所以观察者看见的光谱是倒过来，红光在最上方，其他颜色在下。
其实只要空气中有水滴，而阳光正在观察者的背后以低角度照射，便可能产生可以观察到的彩虹现象。彩虹最常在下午，雨后刚转天晴时出现。这时空气内尘埃少又充满小水滴，天空的一边因为仍有雨云而较暗。观察者头上或背后已没有云的遮挡而可见阳光，这样彩虹便容易被看到。另一个经常可见到彩虹的地方是瀑布附近。在晴朗的天气下背对阳光在空中洒水或喷洒水雾，亦可以人工制造彩虹。
空气里水滴的大小，决定了虹的色彩鲜艳程度和宽窄。空气中的水滴大，虹就鲜艳，也比较窄；反之，水滴小，虹色就淡，也比较宽。我们面对着太阳是看不到彩虹的，只有背着太阳才能看到彩虹，所以早晨的彩虹出现在西方，黄昏的彩虹总在东方出现。可我们看不见，只有乘飞机从高空向下看，才能见到。虹的出现与当时天气变化相联系，一般我们从虹出现在天空中的位置可以推测当时将出现晴天或雨天。东方出现虹时，本地是不大容易下雨的；而西方出现虹时，本地下雨的可能性却很大。
彩虹的明显程度，取决于空气中小水滴的大小，小水滴体积越大，形成的彩虹越鲜亮；小水滴体积越小，形成的彩虹就不明显。一般冬天的气温较低，在空中不容易存在小水滴，下阵雨的机会也少，所以冬天一般不会有彩虹出现。
彩虹其实并非出现在半空中的特定位置。它是观察者看见的一种光学现象，彩虹看起来的位置，会随着观察者位置的变化而改变。当观察者看到彩虹时，它的位置必定是在太阳的相反方向。彩虹的拱以内的中央，其实是被水滴反射、放大了的太阳影像。
所以彩虹以内的天空比彩虹以外的要亮。彩虹拱形的正中心位置，刚好是观察者头部影子的方向，虹的本身则在观察者头部的影子与眼睛一线以上40—42的位置。因此当太阳在空中高于42°时，彩虹的位置将在地平线以下而不可见。这亦是为什么彩虹很少在中午出现的原因。
彩虹由一端至另一端，横跨84°。以一般的35毫米照相机，需要焦距为19毫米以下的广角镜头才可以用单格把整条彩虹拍下。倘若在飞机上，看见的彩虹会是完整的圆形而不是拱形，而圆形彩虹的正中心则是飞机行进的方向。很多时候会见到两条彩虹同时出现，在平常的彩虹外边出现同心，但是较暗的虹，称为副虹，又称霓。
副虹是阳光在水滴中经两次反射而成。当阳光经过水滴时，它会被折射、反射后再折射出来。在水滴内经过一次反射的光线，便形成我们常见的彩虹，即主虹。若光线在水滴内进行了两次反射，便会产生第二道彩虹。霓的颜色排列次序跟主虹是相反的。由于每次反射均会损失一些光能量，因此霓的光亮度亦较弱。两次反射最强烈的反射角出现在50°—53°，所以副虹位置在主虹之外。
因为有两次的反射，副虹的颜色次序跟主虹反转，外侧为蓝色，内侧为红色。副虹其实一定跟随主虹存在，只是因为它的光线强度较低，所以有时不被肉眼察觉而已。
晚虹是一种罕见的现象，在月光强烈的晚上可能出现。由于人类视觉在晚间低光线的情况下难以分辨颜色，故此晚虹看起来好像是全白色。
光的波长决定光的弯曲程度，事实上如果条件合适的话，可以看到整圈圆形的彩虹。彩虹是太阳光射向空中的水珠经过折射→反射→折射后射向我们的眼睛所形成的。
不同颜色的太阳光束经过上述过程形成彩虹的光束，与原来光束的偏折角约138°。也就是说，倘若太阳光与地面水平，则观看彩虹的仰角约为42°。
想象一下，你看着东边，太阳正在从背后的西边落下。白色的阳光穿越了大气，向东通过了你的头顶，碰到了从暴风雨落下的水滴。当一道光束碰到了水滴，会有两种可能：一是光可能直接穿透过去；二是它可能碰到水滴的前缘，在进入水滴内部时产生弯曲，接着从水滴后端反射回来，再从水滴前端离开，往你这里折射出来，于是你看到了彩虹。
光穿越水滴时弯曲的程度视光的波长而定——红色光的弯曲度最大，橙色光与黄色光次之，依此类推，弯曲最小的是紫色光。每种颜色各有特定的弯曲角度，阳光中的红色光，折射的角度是42°，蓝色光的折射角度只有40°，所以每种颜色在天空中出现的位置都不同。
若你用一条假想线，连接你的后脑勺和太阳，那么与这条线呈42°夹角的地方，就是红色所在的位置，这些不同的位置勾勒出一个弧。既然蓝色与假想线只呈40°夹角，所以彩虹上的蓝弧总是在红色的下面。
彩虹之所以为弧形当然与其形成有着不可分割的关系，同样也与地球的形状有很大的关系，由于地球表面为一曲面，而且还被厚厚的大气所覆盖，在雨后空气中的水含量比平时要高，阳光照射入空气中的小水滴形成了折射，同时由于地球表面的大气层为一弧面，从而导致了阳光在表面折射，形成了我们所见到的弧形彩虹！