C'est Newton, au 17ème siècle, qui expliqua de façon satisfaisante la formation des arcs-en-ciel.

Il a en effet observé que la lumière du Soleil traversant un prisme de verre, était décomposée en toutes les lumières colorées d'un arc-en-ciel, qu'il définit arbitrairement en 7 couleurs : Rouge - Orange - Jaune - Vert - Bleu - Indigo - Violet. Chaque lumière colorée est déviée de façon légèrement différente par le prisme de verre, le rouge étant moins dévié que le violet.

La lumière du Soleil est donc un "mélange" de toutes les lumières colorées visibles par l'oeil humain.

Les gouttes d'eau se comportent comme le prisme et dispersent la lumière du Soleil en toutes ses composantes : chaque lumière colorée  est déviée selon un angle légèrement différent, proche d'une valeur de visibilité maximale de 42° par rapport à l'observateur.

La lumière rouge est déviée de 42.4°, à l'opposé la lumière bleue est déviée de 40.5°.

Cela explique que l'observateur voie les lumières colorées déviées selon un arc de cercle, le rouge étant au sommet, et dont la moitié inférieure n'est pas visible puisque située sous le sol. Cependant, plus le Soleil est proche de l'horizon, plus l'arc-en-ciel sera haut. De la même façon, un observateur en altitude verra un arc-en-ciel plus grand qu'un observateur au niveau de la mer. En avion, il est même possible d'observer le cercle entier de l'arc en ciel !

L'angle d'observation étant fixé, il est impossible d'atteindre les pieds de l'arc-en-ciel, puisque celui-ci se déplace avec l'observateur !