L'arc-en-ciel est un phénomène optique produit lorsque la lumière du soleil frappe des gouttes de pluie en suspension dans l'air. La lumière blanche pénètre dans chaque goutte, se réfracte (change de direction en passant de l'air à l'eau), se réfléchit sur la paroi intérieure de la goutte et se réfracte à nouveau en sortant, se séparant en ses couleurs composantes. Chaque couleur sort à un angle légèrement différent : rouge à ~42° et violet à ~40° par rapport à l'axe soleil-observateur.
Pour voir un arc-en-ciel, le soleil doit être dans votre dos et la pluie devant vous. Plus le soleil est bas, plus l'arc est grand (au lever ou au coucher du soleil, l'arc-en-ciel est un demi-cercle complet ; depuis un avion, on peut voir un arc-en-ciel circulaire complet). Les couleurs de l'arc-en-ciel primaire sont, de l'extérieur vers l'intérieur : rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo et violet. Parfois, on voit un arc-en-ciel secondaire plus pâle aux couleurs inversées, formé par une double réflexion à l'intérieur des gouttes.
En météorologie, l'arc-en-ciel indique que la précipitation cesse dans une direction tandis que le soleil émerge dans la direction opposée. La physique de l'arc-en-ciel a été correctement expliquée pour la première fois par Descartes (1637) et Newton (1666).