Der Regenbogen ist ein atmosphärisch-optisches Phänomen, das als kreisbogenförmiges farbiges Lichtband in einer von der Sonne beschienenen Regenwand oder -wolke wahrgenommen wird. Sein radialer Farbverlauf ist das mehr oder weniger verweißlichte Spektrum des Sonnenlichts. Das Sonnenlicht wird beim Ein- und beim Austritt an jedem annähernd kugelförmigen Regentropfen abgelenkt und in Licht mehrerer Farben zerlegt. Dazwischen wird es an der Tropfenrückseite reflektiert. Das jeden Tropfen verlassende Licht ist in farbigen Schichten konzentriert, die aufeinander gesteckte dünne Kegelmäntel bilden.

Der Beobachter hat die Regenwolke vor sich und die Sonne im Rücken. Ihn erreicht Licht einer bestimmten Farbe aus Regentropfen, die sich auf einem schmalen Kreisbogen (einem Farbstreifen des Regenbogens) am Himmel befinden. Der Beobachtungswinkel ist identisch mit dem Winkel des Kegelmantels, in dem diese Farbe beim Austritt am Regentropfen konzentriert ist.

Bei guten Lichtverhältnissen vor der Regenwand ist über dem kräftigen Hauptregenbogen ein Nebenregenbogen sichtbar. Dieser ist infolge der zweifachen Reflexion des Lichtes in den Wassertropfen lichtschwächer und hat die umgekehrte Farbfolge.

Das Sonnenlicht ist ein kleiner Teil des Spektrums aller elektromagnetischen Wellen. Bei hochstehender Sonne erreichen alle Anteile des Sonnenspektrums die Erdoberfläche und ihre Mischung wird als weißliches Tageslicht wahrgenommen. Bei tiefstehender Sonne ist die Lichtfarbe rötlicher, da der kurzwellige blaue Anteil des Sonnenspektrums in der Atmosphäre stärker gestreut wird als der langwellige rote, was zum Beispiel zu Morgenrot führt.

Die Farben des Regenbogens entstehen durch Brechung des Sonnenlichts in den Wassertropfen, wobei dieses wie in einem Prisma wellenlängenabhängig unterschiedlich stark abgelenkt wird. Im Regenbogen sind im Allgemeinen die Farben weniger rein und weniger deutlich voneinander getrennt als im zum Beispiel mit Hilfe eines Prismenspektroskops erzeugten Lichtspektrum. Ursache ist die teilweise Mischung der beim Eintritt in den Wassertropfen getrennten farbigen Lichter durch ihre innere Reflexion an unterschiedlichen Stellen der kugelförmigen Tropfenfläche und ihre erneute Ablenkung beim Austritt. Farbig gleiche Lichtstrahlen aus benachbarten Eingangsstrahlen können vereinigt werden, wobei sie sich durch Interferenz verstärken oder auslöschen können.

Das während oder kurz nach einem Regenereignis parallel auf die fallenden, eng benachbarten Regentropfen wie auf eine Wand treffende Sonnenlicht wird durch jeden von ihnen in einem Kegelmantel konzentriert gegen die Sonne zurückgeworfen. Ein solcher Kegel besteht aus ineinander steckenden Kegeln unterschiedlicher Kegelwinkel für die unterschiedlichen Lichtfarben. Beim Hauptregenbogen mit einmaliger innerer Reflexion hat der weniger abgelenkte äußere rote Lichtkegel einen Winkel von etwa zweimal 42°, der stärker abgelenkte innere blaue einen Winkel von etwa zweimal 40,2°.

Blickt der Beobachter zur „Regenwand“, so empfängt er rotes Licht aus Tropfen, die sich von ihm aus gesehen ebenfalls auf einem Kegelmantel mit einem Winkel von etwa zweimal 42° befinden. Der Beobachter befindet sich in der Spitze dieses Kegels, dessen Achse von der Sonne durch den Beobachter zum Sonnengegenpunkt führt. Das blaue Licht am inneren Rand des Regenbogens kommt aus Tropfen, die sich auf einem Kegelmantel mit einem Winkel von etwa zweimal 40,2° befinden. Aus jedem Tropfen stammt jeweils nur ein Kegelmantelstrahl, der beim Beobachter ankommt. Weil die Zahl der Regentropfen aber unvorstellbar groß ist, kommt ein aus farbigen Streifen bestehender Regenbogen in auffallender Helligkeit zustande.