Les arcs-en-ciel lunaires sont créés par la lumière de la Lune plutôt que par celle du Soleil.

L'arc-en-ciel lunaire, ou moonbow, repose sur les principes de la réfraction, de la réflexion et de la dispersion de la lumière. Lorsque les rayons de la Lune frappent des gouttes d'eau à un angle précis d'environ 42 degrés, la lumière se décompose en un spectre de couleurs. Ce processus est identique à celui de l'arc-en-ciel solaire, mais l'intensité lumineuse est beaucoup plus faible.La perception humaine limite souvent la vision des couleurs la nuit à cause des bâtonnets de la rétine. Ces cellules photoréceptrices sont sensibles à la faible luminosité mais ne distinguent pas les couleurs, contrairement aux cônes. C'est pourquoi l'arc semble blanc ou grisâtre à l'œil nu, un phénomène appelé vision scotopique. Les capteurs numériques modernes, grâce à des temps de pose longs, parviennent à accumuler assez de photons pour révéler les teintes rouges et violettes.Plusieurs conditions géométriques strictes doivent être réunies pour cette observation. La Lune doit se situer à moins de 42 degrés d'altitude au-dessus de l'horizon et être proche de sa phase de pleine lune pour maximiser la brillance. Des sites célèbres comme les chutes Victoria en Zambie ou les chutes de Cumberland aux États-Unis sont réputés pour ce spectacle. Des études météorologiques indiquent que la pureté de l'air et l'absence de pollution lumineuse sont essentielles pour distinguer ces arcs fragiles.