무지개는 맑은 하늘에서 자주 보인다고 생각하지만 적란운에 의해 생긴 경우는 천둥과 번개를 동반하기도 한다. 물방울 입자가 프리즘처럼 작용하여 태양광의 가시광선을 분산하고 굴절시키기 때문에 일어나는 현상이다.
즉, 빛이 파장별로 원래 위치가 아닌 다른 위치로 굴절되면서 파장이 분리되어 안구에 포착되기 때문에 색깔이 분산되어 보이는 것이다. 이 때문에 파장이 길어 굴절률이 낮은 빨간색이 가장 바깥쪽에, 반대로 단파장이라 굴절률이 높은 보라색이 가장 안쪽에 있게 된다.
가끔 해가 중심에 있는 무지개 비스무리한 현상이 보이는데, 순우리말로 '무리'라고 한다. 주로 '햇무리' 혹은 '달무리'라고 얘기하며 해나 달을 중심으로 완전한 원형의 하얀 동그라미가 그려진다. 해를 등지고 서야 보이는 무지개와는 다른 현상이고, 우리나라에서도 쉽게 관찰할 수 있다. 특히 얇은 고층운이 낄 때 자주 보이며 무리를 만드는 권층운은 순우리말로 '무리구름'이라 한다. 햇무리나 달무리가 보이면 높은 확률로 짙은 먹구름이 끼며, 종종 비까지 내린다.
무지개가 사라질 때는 무지개가 떠 있는데 해가 진다거나 가운데부터 서서히 사라지기 시작하여 마지막에는 양쪽 가장자리만 남았다가 사라진다. 보는 각도에 따라서 다른 모습이 되기때문에 다른 사람이 같은 무지개를 보는 것은 불가능하다. 무지개의 색으로는 빨간색, 주황색, 노란색, 초록색, 파란색, 남색, 보라색이 있다. 빨주노초파남보의 그 색들인데, 다른 나라에서는 무지개의 색을 다르게 분류하기도 한다.
무지개를 그릴 때 보통 색들 사이에 경계를 그어 완전히 구분하는데, 실제로는 그렇게 확실하게 구분되어있지 않고, 가시광선 영역 안에서 존재할 수 있는 색깔들이 혼합되어 펼쳐진 것이다.
무지개가 7색이라고 알려지게 된 건 뉴턴이 스펙트럼 실험으로 찾아낸 연속 스펙트럼의 색을 토대로, '도레미파솔라시'의 7음계에 따라서 색을 나누었다는 이야기가 정설이다. 뉴턴 이전의 유럽에서는 빨간색, 노란색, 초록색, 파란색, 제비꽃색(보라)의 5색으로 나누었다고 한다. 과거 한국 땅에서도 무지개의 색깔 개수를 7색이 아니라 5색이라고 여겼다고 한다.