Curcubeul poate fi explicat analizând mersul razelor de lumină într-o sferă transparentă. Lumina albă de la soare suferă mai întâi o refracție la intrarea în picătura de apă, moment în care începe separarea culorilor. În partea opusă a picăturii are loc o reflexie la interfața dintre apă și aer (o parte din lumină iese afară, dar aceasta nu produce efectul de curcubeu). În continuare lumina iese din picătură printr-o a doua refracție, care amplifică separarea culorilor.
Pentru fiecare lungime de undă există un unghi la care intensitatea luminii ieșite din picătură are un maxim. Existența acestui maxim se explică astfel: funcția care face legătura dintre excentricitatea razei de intrare (distanța dintre raza de lumină care intră în picătură și centrul picăturii) și unghiul de ieșire (unghiul dintre raza de la intrare și cea de la ieșire) nu este monotonă, ci crește de la zero, are un punct de întoarcere și apoi scade. În jurul punctului de întoarcere, pentru un interval relativ larg de excentricități, unghiul de ieșire se modifică foarte puțin, ceea ce face la acest unghi să iasă din picătură o cantitate de lumină mult mai mare decât la alte unghiuri. Acest fenomen, combinat cu faptul că pentru fiecare lungime de undă unghiul corespunzător maximului de intensitate luminoasă are altă valoare, explică formarea curcubeului sub forma unui arc colorat. Punctul de întoarcere menționat se remarcă prin faptul că partea atmosferei din interiorul arcului curcubeului este mai luminoasă decât cea din exterior
Același raționament explică de ce razele care ies din picătura de apă fără nici o reflexie internă nu formează un curcubeu: unghiul de ieșire depinde monoton de excentricitatea razei de intrare, deci la nici un unghi nu se concentrează o parte semnificativă din lumina soarelui; aceste raze nu fac decât să împrăștie lumina într-un mod care depinde prea puțin de lungimea de undă.
Curcubeul secundar diferă de primul prin faptul că în interiorul picăturii de apă lumina suferă două reflexii interne. Analog, ordinele superioare se obțin printr-un număr sporit de reflexii interne, ceea ce explică în parte intensitatea lor scăzută.
