Cho dù cầu vòng luôn luôn hiện diện, nhưng từ khi Newton thí nghiệm về ánh sáng đi ngang qua lăng kính và kết luận rằng ánh sáng trắng là sự tổng hợp của những màu của phổ thấy được (xem bài Sự phân tích ánh sáng của Newton)

Như vậy cầu vòng là do sự khúc xạ (réfraction) và phản xạ những tia sáng đến mắt người quan sát từ mỗi giọt nước.

		Mỗi giọt là một lăng kính nhỏ tí. Cầu vòng có dạng một giải màu đều đặn vì những giọt nước đều giống nhau. Sự khúc xạ là một hiện tượng thiên nhiên chia ánh sáng thành những màu sắc khác nhau.  Khi mặt trời chiếu qua một bầu khí quyển trong sạch, ánh sáng có vẻ trắng. Ánh sáng trắng gồm vô số màu (nhưng ta chỉ thấy được 7 màu căn bản). Khi mặt trời chiếu qua nước mưa, nó phân ra thành 7 màu đỏ, cam, vàng, xanh , lam, chàm, tím vì những giọt nước mưa hành động như những lăng kính nhỏ. Khi qua lăng kính, ánh sáng trắng bị khúc xạ và mỗi màu nghiêng theo một góc khác nhau để cho ta thấy những màu khác nhau trải dài thành giải dưới dạng một hình cung .

		Vòng cung này có một góc khoảng 42 độ. Màu đỏ lúc nào cũng ở bờ (phía trên) bên ngoài trong lúc màu tím thì ở đối diện, gần đất nhất. Cầu vòng là một hiện tượng quang học nó có vẻ như di chuyển cùng một lúc với người quan sát. Khi tia sáng mặt trời va chạm vào một phần tử của khí quyển, nó thay đổi hướng đi: một phần của tia sáng vào trong phần tử này rồi phản chiếu trở lại (đổi chiều). Phần còn lại của tia sáng được phản xạ bởi phần tử mà ta gọi là "nảy lên" (rebondir). Những cầu vòng hiện ra khi tia sáng chạm vào những giọt nước mưa tùy góc độ lớn nhỏ mà độ lớn và chiều cao của cầu vòng thay đổi. Ðộ lớn của giọt nước cũng ảnh hưởng đến màu sắc của cầu vòng.

		Những giọt nước tuốt trên cao góp phần cho màu đỏ Những giọt nước dưới thấp góp phần cho màu lam

		Cầu vòng tùy thuộc vào sự chuyển động của giọt nước, của vị trí mặt trời và của người quan sát . Không có hai người quan sát cùng một cầu vòng vì nó tạo bởi những giọt nước khác nhau, nói cách khác mỗi màu ta thấy là do từ những giọt nước khác nhau. Lẽ đương nhiên ta không thể thấy chỉ một cầu vòng bởi vì nó di chuyển cùng một lúc với ta và góc quan sát của ta thay đổi không ngừng. Ðộ lớn của giọt nước cũng ảnh hưởng đến dạng của cầu vòng. Giọt nước càng lớn, nó càng phân tán ánh sáng và cầu vòng lại càng được 7 màu rõ ràng .

*** Bầu trời phải không được âm u quá hay trong sáng quá, cũng phải có vài đám mây. 

*** Mặt trời phải ở đằng sau ta và mưa phải đằng trước ta
 

		Chính vì những giọt nước tạo ra sự xuất hiện của cầu vòng nên nó phải ở phía đối diện với mặt trời. Mặt trời càng thấp, cầu vòng càng cao nên quan sát buổi sáng và buổi chiều là lúc tốt nhất. Khi mặt trời lên cao cầu vòng càng phẳng và khi cao hơn 42° so với chân trời thì ta không thể thấy nó nữa.  Muốn có cầu vòng phải quan sát khi mặt trời ở chiều cao dưới 42° so với chân trời. Ngoài ra muốn có màu sắc rõ ràng , phải có những giọt nước mưa lớn nên sau trận mưa lớn ta có cầu vòng đẹp.

Có những vùng được nổi tiếng về sự xuất hiện thường xuyên của cầu vòng, thí dụ Honolulu. Những ngọn núi phía Bắc của thành phố tạo ra thường xuyên sương mù đặc trong lúc mặt trời chiếu nắng. Người ta thấy xuất hiện những cầu vòng lộng lẫy trên những ngọn đồi. Nhiều khi khi trời sắp lặn, bầu trời đuợc chế ngự bởi một màu đỏ và cầu vòng không thể phát ra những màu khác nên chỉ hiện ra màu đỏ.
Nơi có vòi nước phun ta cũng thấy hiện tuợng cầu vòng. Phải đến chơi vào buổi sáng hay chiều, lúc mặt trời chiếu sáng và phải đứng làm sao để nhìn thấy nước phun còn mặt trời thì chiếu sau lưng ta đến.

			Buổi sớm, khi mặt trời đốt nóng mặt đất và sương mù định tan di, lúc này cầu vòng có thể hình thành bởi vì sương mù giống như mây nơi mặt đất. Vào một đêm trăng sáng khi trăng ở thấp gần chân trời, cũng có khi thấy cầu vòng vì ánh sáng của trăng khúc xạ khi gặp mưa. Màu sẽ lợt, có khi chỉ có một đường cong màu đỏ lợt.Có khi chúng ta chỉ thấy một phần của cầu vòng khi mưa không đều hay mây bị xé ra. Tuyết rơi không bao giờ cho cầu vòng (tại vì tuyết phản chiếu trả lại tất cả ánh sáng, mà "tất cả ánh sáng" tức là trắng.

		Phần dưới không thấy được vì ở dưới trái đất Ðộ cong của quả đất làm cho quan sát viên chỉ nhìn thấy một nửa vòng. Thật ra thì nếu nhìn từ máy bay hay đứng trên một núi cao nhìn một trận m ưa lớn và hiếm khi ta có thể thấy cầu vòng dưới dạng một vòng tròn.

 
Giữa vòng cung sơ cấp và vòng cung thứ cấp có một vùng tối hơn, đó là cùng Alexandre. Tên lấy từ Alexandre d'Aphrodisias (cuối thế kỷ II - đầu III^e), một triết gia Hy Lạp, là người đã diễn tả cầu vòng đầu tiên.

Hiện tượng này gồm có một vòng cung sơ cấp và một vòng cung thứ cấp, một giải sẫm màu Alexandre và những vòng cung thừa. Vòng cung sơ cấp hướng vào giữa đường nối giữa mặt trời và người quan sát. Bán kính góc là 41° và chiều rộng là 2°15. Màu đỏ ở bên ngoài. Màu luôn luôn được xếp đặt từ dưới lên như sau: tím, chàm, lam, xanh lá cây, vàng, cam, đỏ. Nhưng không rõ nét giữa những màu. Vòng cung thứ cấp, đồng tâm với vòng sơ cấp, bán kính góc khoảng 52° . Những màu sắp đặt theo thứ tự ngược lại: Ðỏ ở phía dưới và tím ở phía trên. giữa hai vòng cung, trời thường có màu sậm hơn bên ngoài

Vòng thứ hai này mờ hơn gấp 10 lần vòng chính.

Chính xác, cầu vòng không chỉ là hiện tượng khúc xạ, mà nó phải kết hợp phản xạ toàn phần, khi ánh sáng đi qua những giọt nước mưa.

- Nếu con ngươi của mắt chúng ta to bằng cái trống, thì chúng ta cũng không chiêm ngưỡng được hiện tượng đẹp mắt này, vì có loạn xạ các cầu vòng đập vào mắt ta. Con ngươi bé nhỏ của chúng ta đã hạn chế các cầu vòng loạn xạ không cần thiết đó.

- Đối với các giọt nhỏ li ti, cầu vòng là hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng ( Huygens - Fresnel), vì vậy nó có màu trắng, chứ không phải là hiện tượng khúc xạ và phản xạ toàn phần, như các cầu vòng có màu khác