L'arc-en-ciel double (arc-en-ciel secondaire) se forme lorsque la lumière subit deux réflexions internes à l'intérieur des gouttes de pluie (au lieu d'une comme pour le primaire). Il apparaît environ 9° au-dessus de l'arc-en-ciel primaire, avec les couleurs inversées (rouge en bas, violet en haut).
Il est plus pâle que le primaire car chaque réflexion supplémentaire perd de la lumière. La zone sombre entre les deux arcs s'appelle bande d'Alexandre (d'après Alexandre d'Aphrodise, IIe siècle) : elle est plus sombre que le ciel environnant car aucun rayon lumineux n'émerge dans ces angles. Dans des conditions exceptionnelles, on peut voir un troisième et un quatrième arc-en-ciel, mais ils sont extrêmement rares.