Za deště nebo mlhy prochází světlo každou jednotlivou kapkou. Protože má voda větší index lomu než vzduch, světlo se v ní láme. Index lomu je různý pro různé vlnové délky světla a povrch kapky má tvar koule. Světlo se tedy na okrajích dešťových kapek rozkládá na jednotlivé barevné složky, které se odrážejí na vnitřní stěně a opouštějí pod různými úhly kapku. Kapky, které jsou ve stejné úhlové vzdálenosti od zdroje světla (Slunce či Měsíce), se pak jeví, jako by měly stejnou barvu. Proto má duha tvar kruhu, případně jeho části.
Vztah mezi úhlem dopadu, úhlem lomu, indexem lomu optického prostředí a rychlosti šíření elektromagnetického záření (světla) vyjadřuje Snellův zákon.
Aristoteles usoudil, že duha vzniká odrazem světla ve vodních kapkách.
