Em um arco-íris duplo, as cores do segundo arco são invertidas, com o violeta na parte externa e o vermelho na interna.

O fenômeno do arco-íris duplo é regido pelas leis da óptica geométrica, especificamente a refração e a reflexão interna total. Enquanto o arco-íris primário é formado por uma única reflexão da luz dentro da gota de chuva, o secundário ocorre quando a luz sofre duas reflexões internas antes de sair da gota.Nesse processo, a luz entra na gota, atinge a parede interna, reflete para outra extremidade e reflete novamente antes de ser refratada de volta para os olhos do observador. Essa segunda reflexão é a responsável direta pela inversão da ordem das cores, posicionando o violeta no topo, a cerca de 54 graus de inclinação, e o vermelho na base, a 50 graus.Devido à perda de energia luminosa em cada reflexão, o arco secundário possui apenas cerca de 43% do brilho do arco primário. Além disso, ele é significativamente mais largo, apresentando quase o dobro da largura angular do primeiro arco. Entre os dois arcos, existe uma região visivelmente mais escura chamada de Faixa de Alexandre, nomeada em homenagem ao filósofo Alexandre de Afrodisias, que a descreveu por volta do ano 200 d.C.Para que o arco-íris duplo seja visível, as gotas de chuva precisam ser grandes e uniformes, e o Sol deve estar em um ângulo baixo no horizonte. Estudos da NASA e de instituições de meteorologia confirmam que, embora menos comum, é possível ocorrerem até arcos triplos ou quádruplos, embora estes sejam extremamente difíceis de detectar a olho nu devido à baixa intensidade luminosa.