يتكون قوس قزح عندما يمر ضوء الشمس عبر قطرات الماء في الغلاف الجوي. تحدث العملية على النحو التالي :

1-الانكسار: عندما يمر ضوء الشمس (الذي يبدو أبيض لنا ولكنه في الحقيقة مزيج من ألوان الطيف) من الهواء إلى قطرة الماء، فإنه ينكسر (ينحني) لأن سرعة الضوء تتغير عند انتقاله من وسط إلى آخر. كل لون في ضوء الشمس ينكسر بزاوية مختلفة قليلاً، لأن طول موجته يختلف. الضوء ذو الطول الموجي الأقصر (مثل البنفسجي) ينكسر بزاوية أكبر من الضوء ذو الطول الموجي الأطول (مثل الأحمر).

2-الانعكاس: بعد أن ينكسر الضوء داخل قطرة الماء، ينعكس من الجزء الخلفي من قطرة الماء.

3-الانكسار الثاني: عندما يخرج الضوء من قطرة الماء مرة أخرى إلى الهواء، فإنه ينكسر مرة أخرى. بسبب الانكسار المزدوج والانعكاس، تنتشر ألوان الطيف وتظهر بشكل منفصل.

4-التشتت: بسبب اختلاف زاوية الانكسار لكل لون، تنتشر ألوان الطيف وتُرى بشكل مُنفصل مُشكّلة قوس قزح. نرى الألوان بترتيب معين (الأحمر، البرتقالي، الأصفر، الأخضر، الأزرق، النيلي، البنفسجي) لأن هذا هو ترتيبها حسب طول الموجة.

باختصار، قوس قزح هو ظاهرة بصرية ناتجة عن انكسار، وانعكاس، وتشتت ضوء الشمس بواسطة قطرات الماء في الغلاف الجوي. يجب أن تكون الشمس خلف الراصد، وقطرات الماء أمامه، لرؤية قوس قزح.