如图所示，虹对观测者的角半径约为42°，一般色序排列由外而内依次是红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫，总宽度约2°，又称主虹。在主虹的外侧，有时还能看到角半径约52°的同心光环，称为霓（secondary rainbow），又称副虹。副虹的色序和主虹相反，由外而内依次是紫、靛、蓝、绿、黄、橙、红，宽度约为主虹的两倍，但亮度比较弱。

虹和霓形成过程示意图

根据几何光学原理，当平行的太阳光束照射到水滴上时，从不同部位入射的光经水滴折射和内反射后，向各个方向射出，大部分是发散光，只有从某一适当部位以一定入射角射入的光束，射出时仍保持平行，这时入射光和出射光的夹角β（偏向角）最小，光的强度也最大。这种以一定入射角入射入，经水滴一次内反射而满足最小偏向角的那部分光线，构成了虹。而以一定入射角入射，经水滴两次内反射且满足最小偏向角的光线则构成霓。由于光线在水滴内反射的同时，不少光线都沿着折射的方向穿出水滴，内反射的次数越多，剩余的光线就越弱，这也就是一般看不到霓的原因，纵然看到了也比虹暗的多。这里观测者背对着太阳，观测角θ=180°-β。

虹的色彩和宽度与雨滴大小有关。通常雨滴越大，虹带愈狭窄，色彩愈鲜明；反之，雨滴愈小，虹带愈宽，色彩愈暗淡。当雨滴平均直径在12毫米时，紫和绿光环特别明显，红光环也很纯净，但蓝光环几乎消失；当雨滴平均直径为0.5毫米时，红光环的亮度大为减弱；当雨滴平均直径为0.2～0.3毫米时，不出现红光环，其余光环却很清晰，虹带显得宽些；当雨滴平均直径为0.08～0.1毫米时，虹带较宽较淡，只有紫色较显著；当雨滴平均直径小于0.05毫米时，则出现淡白光环，又称白虹。因为在同一时刻，空中雨滴的大小并不完全一致。即使在同一虹中，甚至同一彩色光环中，它的颜色、亮度都会有变化。因此能够根据虹的色彩变化大致估计雨滴的大小。