Le mirage est un phénomène optique réel (pas une hallucination) produit par la réfraction des rayons lumineux traversant des couches d'air de températures différentes et donc de densités et d'indices de réfraction différents. Lorsqu'un fort gradient thermique existe près de la surface, les rayons de lumière se courbent progressivement, créant des images déplacées, inversées ou déformées d'objets distants.
Le mirage inférieur est le plus courant : il se produit lorsque le sol chauffé par le soleil crée une couche d'air chaud et peu dense près de la surface, sous de l'air plus froid. Les rayons lumineux voyageant vers le bas se courbent vers le haut, créant une image inversée simulant une flaque d'eau ou un « lac » sur la route. Le cerveau interprète cette image inversée du ciel comme une surface réfléchissante d'eau. C'est typique des déserts, des routes goudronnées en été et des grandes plaines ensoleillées.
Le mirage supérieur se produit lorsqu'il y a une inversion thermique avec de l'air froid sous de l'air chaud, typiquement au-dessus de surfaces d'eau froide ou de glace. Les rayons se courbent vers le bas, faisant paraître les objets lointains surélevés ou flottant au-dessus de l'horizon (effet Fata Morgana). En Espagne, les mirages inférieurs sont habituels sur les mesetas castillanes et en Andalousie en été, tandis que les supérieurs s'observent occasionnellement au-dessus de la Méditerranée.