彩虹的拱以內的中央，其實是被水滴反射，放大了的太陽影像。所以彩虹以內的天空比彩虹以外的要亮。
彩虹拱形的正中心位置，剛好是觀察者頭部陰影的方向，虹的本身則在觀察者頭部的影子與眼睛一線以上40°~42°的位置。因此當太陽在空中高於42°時，彩虹的位置將在地平線以下而看不見。這亦是為什麼彩虹很少在中午出現的原因。
彩虹由一端至另一端，橫跨84°。以一般的35毫米照相機，需要焦距為19毫米以下的廣角鏡頭才可以用單格把整條彩虹拍下。倘若在飛機上，會看見彩虹是原整的圓形而不是拱形，而圓形彩虹的正中心則是飛機行進的方向。
晚虹是一種罕見的現象，在月光強烈的晚上可能出現。由於人類視覺在晚間低光線的情況下難以分辨顏色，故此晚虹看起來好像是全白色。
成對出現的彩虹
很多時候會見到兩條彩虹同時出現，在平常的彩虹外邊出現同心，稱為副虹(又稱霓)。副虹是陽光在水滴中經兩次反射而成。當陽光經過水滴時，它會被折射、反射後再折射出來。在水滴內經過一次反射的光線，便形成我們常見的彩虹(主虹)。若光線在水滴內進行了兩次反射，便會產生第二道彩虹(霓)。霓的顏色排列次序跟主虹是相反的。由於每次反射均會損失一些光能量，因此霓的光亮度亦較弱。
兩次反射最強烈的反射角出現在50°~53°，所以副虹位置在主虹之外。因為有兩次反射，副虹的顏色次序跟主虹相反，外側為藍色，內側為紅色。
副虹其實一定跟隨主虹存在，隻是因為它的光線強度較低，所以有時不被肉眼察覺而已。
笛卡爾在1637年發現水滴的大小不會影響光線的折射。他以玻璃球注入水來進行實驗，得出水對光的折射指數，用數學證明彩虹的主虹是水點內的反射造成；而副虹則是兩次反射造成。他準確計算出彩虹的角度，但未能解釋彩虹的七彩顏色。後來牛頓以玻璃菱鏡展示把太陽光散射成彩色之後，關於彩虹的形成的光學原理全部被發現。
彩虹彎曲的原因
1.光的波長決定光的彎曲程度
事實上如果條件合適的話，可以看到整圈圓形的彩虹。彩虹的形成是太陽光射向空中的水珠，經過折射寅反射寅折射後，進入我們的眼睛所形成。不同顏色的太陽光束經過上述過程形成彩虹的光束與原來光束的偏折角約180°-42°=138°。也就是說，若太陽光與地麵水平，則觀看彩虹的仰角約為42°。
想象你看著東邊的彩虹，太陽在從背後的西邊落下。白色的陽光(彩虹中所有顏色的組合)穿越了大氣，向東通過了你的頭頂，碰到了從暴風雨落下的水滴。
當一道光束碰到了水滴，會有兩種可能：一是光可能直接穿透過去，或者更有趣的是，它可能碰到水滴的前緣，在進入時水滴內部產生彎曲，接著從水滴後端反射回來，再從水滴前端離開，往我們這裏折射出來。這就是形成彩虹的光。
光穿越水滴時彎曲的程度，應視光的波長(即顏色)而定——紅色光的彎曲度最大，橙色光與黃色光次之，依此類推，彎曲最少的是紫色光。
每種顏色各有特定的彎曲角度，陽光中的紅色光，折射的角度是42°，藍色光的折射角度隻有40°，所以每種顏色在天空中出現的位置都不同。
若你用一條假想線，連接你的後腦勺和太陽，那麼與這條線呈42°夾角的地方，就是紅色所在的位置。這些不同的位置勾勒出一個弧。既然藍色與假想線隻呈40°夾角，所以彩虹上的藍弧總是在紅色的下麵。
彩虹之所以為弧形這當然與其形成有著不可分割的關係，同樣這也與地球的形狀有很大的關係，由於地球表麵為一曲麵而且還被厚厚的大氣所覆蓋，在雨後空氣中的水含量比平時高，當陽光照射入空氣中的小水滴形成了折射，同時由於地球表麵的大氣層為一弧麵，從而導致了陽光在表麵折射形成了我們所見到的弧形彩虹!
2.與地球的形狀有很大的關係
由於地球表麵是一個曲麵並且被厚厚的大氣所覆蓋，雨後空氣中的水含量比平時高，當陽光照射入空氣中的小水滴時就形成了折射。同時由於地球表麵的大氣層為一弧麵，從而導致了陽光在表麵折射形成了我們所見到的弧形彩虹!