Curcubeul apare întotdeauna la un unghi de exact 42 de grade față de punctul opus Soarelui.

Fenomenul curcubeului este guvernat de legile fizicii optice, în special de refracție și reflexie internă totală. Când lumina solară pătrunde într-o picătură de apă, aceasta se refractă, se reflectă pe peretele posterior al picăturii și se refractă din nou la ieșire. Isaac Newton a demonstrat în secolul al XVII-lea că lumina albă este compusă dintr-un spectru de culori care se separă prin dispersie.Unghiul critic de 42 de grade este determinat de indicele de refracție al apei, care este de aproximativ 1,33. Fiecare culoare din spectru se reflectă la un unghi ușor diferit, variind de la 40 de grade pentru violet la 42 de grade pentru roșu. Această diferență unghiulară este motivul pentru care vedem culorile separate în arcuri concentrice.Punctul central al acestui arc se numește punct antisolar, situat exact opus Soarelui din perspectiva observatorului. Din cauza geometriei sferice, curcubeul este de fapt un cerc complet, însă observatorii de la sol văd doar un arc deoarece pământul blochează jumătatea inferioară. Piloții de avion pot observa uneori curcubeie circulare complete în condiții atmosferice ideale.Dacă Soarele se află la o altitudine mai mare de 42 de grade deasupra orizontului, curcubeul nu poate fi văzut de la nivelul solului. Acesta este motivul pentru care curcubeiele sunt fenomene meteorologice specifice dimineților și după-amiezelor. Cercetările moderne ale instituțiilor precum National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) confirmă că dimensiunea picăturilor de ploaie influențează intensitatea și lățimea benzilor de culoare.