Een regenboog is de kleurenboog die we zien als de zon schijnt op regen. Elke kleur, in het witte zonlicht, wordt anders gebroken door de regendruppels en zo wordt wit licht gesplitst in alle kleuren van de regenboog.

De zon stuur wit licht op de aarde af. Dit witte licht is opgebouwd uit alle kleuren van de regenboog. Normaal zien we dat niet, maar als licht door een overgang van bijvoorbeeld lucht naar water gaat, dan wordt het licht gebroken. De brekingsindex voor de overgang van lucht naar zoet weter is ongeveer 1,33. Maar deze index is ook afhankelijk van de golflengte van het licht. De golflengte voor rood licht is 650 nanometer, voor geel/groen licht ongeveer 550 nanometer en voor blauw licht 450 nanometer. Doordat de brekingsindex per kleur dus ook iets verschilt, wordt het licht bij de overgang van lucht naar water dus uit elkaar getrokken. Het licht wordt aan de achterkant van het druppeltje gespiegeld en wordt bij het verlaten van het druppeltje opnieuw iets verder uit elkaar getrokken door het zelfde principe. Zo ontstaat een regenboog.

De eerste (primaire) boog zien we onder een hoek van 42 graden. Soms zien we een dubbele regenboog. Dan wordt het licht tweemaal weerkaatst in de druppel en deze boog zien we onder een hoek van ongeveer 52 graden. Bij deze tweede boog is het kleurverloop van buiten naar binnen niet van paars/blauw (ultra violet) naar rood (infra rood), maar precies omgekeerd.

In theorie is elke regenboog een exacte cirkel. Maar om ook een volledige cirkel te zien, moeten er onder de horizon ook regendruppels zijn. Die zien we natuurlijk niet; het regent niet onder de grond. In sommige gevallen is de cirkel wel waar te nemen, als de waarnemer op de juiste plaats op een bergtop staat en de zon laag het dal in schijnt. Ook vanuit een vliegtuig wordt wel eens een complete cirkel waargenomen.