يتكون قوس قزح نتيجة تفاعل ضوء الشمس مع قطرات الماء في الغلاف الجوي. تحدث هذه العملية بثلاث خطوات رئيسية :

1-الانكسار: عندما يمر ضوء الشمس عبر قطرة ماء، فإنه ينكسر (ينحرف) لأن سرعة الضوء تختلف في الهواء عنها في الماء. يُقسم ضوء الشمس الأبيض، الذي هو مزيج من جميع ألوان الطيف المرئي، إلى ألوانه المكونة (الأحمر، البرتقالي، الأصفر، الأخضر، الأزرق، النيلي، البنفسجي) بسبب اختلاف أطوال موجتهم. تُنكسر الألوان ذات الأطوال الموجية الأطول (مثل الأحمر) بزاوية أصغر من الألوان ذات الأطوال الموجية الأقصر (مثل البنفسجي).

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

3-الانكسار مرة أخرى: عندما يخرج الضوء من قطرة الماء، ينكسر مرة أخرى، مما يزيد من فصل الألوان. نتيجة لذلك، نرى الألوان منفصلة في شكل قوس.

يجب أن تكون زاوية الشمس بالنسبة للناظر (حوالي 42 درجة) مناسبة لرؤية قوس قزح. كل قطرة ماء تعكس وتُكسر الضوء وتُنتج ألواناً قليلة، لكن ملايين من قطرات الماء تُنتج قوس قزح الكامل الذي نراه. لذلك، يظهر قوس قزح دائمًا في الاتجاه المعاكس للشمس.