Κάθε ουράνιο τόξο σχηματίζεται πάντα σε γωνία 42 μοιρών από το σημείο ακριβώς απέναντι από τον ήλιο.

Το φαινόμενο του ουράνιου τόξου βασίζεται στους νόμους της οπτικής και συγκεκριμένα στη διάθλαση και την εσωτερική ανάκλαση. Όταν μια ακτίνα φωτός εισέρχεται σε μια σταγόνα βροχής, το φως κάμπτεται, ανακλάται στο πίσω μέρος της σταγόνας και κάμπτεται ξανά καθώς βγαίνει. Η γωνία εξόδου για το κόκκινο φως είναι περίπου 42 μοίρες, ενώ για το ιώδες είναι 40 μοίρες.Το κέντρο του ουράνιου τόξου είναι το αντιηλιακό σημείο, η νοητή θέση που βρίσκεται ακριβώς 180 μοίρες απέναντι από τον ήλιο. Επειδή η γωνία των 42 μοιρών είναι σταθερή, το σχήμα που προκύπτει είναι ένας τέλειος κύκλος. Ωστόσο, από το έδαφος βλέπουμε μόνο ένα τόξο, καθώς ο ορίζοντας κόβει το κάτω μέρος του κύκλου.Ο Ισαάκ Νεύτων ήταν ο πρώτος που απέδειξε το 1666 ότι το λευκό φως αποτελείται από ένα φάσμα χρωμάτων. Η ανάλυση αυτή εξήγησε γιατί το φως διασκορπίζεται σε διαφορετικά χρώματα μέσα στη σταγόνα. Αν ο ήλιος βρίσκεται σε ύψος μεγαλύτερο από 42 μοίρες στον ουρανό, το ουράνιο τόξο σχηματίζεται κάτω από τη γραμμή του ορίζοντα και δεν είναι ορατό από έναν παρατηρητή στο έδαφος.Για τον λόγο αυτό, τα πιο εντυπωσιακά ουράνια τόξα εμφανίζονται όταν ο ήλιος είναι χαμηλά, όπως νωρίς το πρωί ή αργά το απόγευμα. Οι πιλότοι αεροπλάνων ή οι ορειβάτες σε μεγάλα υψόμετρα έχουν συχνά την ευκαιρία να δουν ένα πλήρες κυκλικό ουράνιο τόξο 360 μοιρών. Το φαινόμενο αυτό επιβεβαιώνει ότι το σχήμα του τόξου εξαρτάται αποκλειστικά από τη γεωμετρία μεταξύ του ήλιου, των σταγόνων και του παρατηρητή.