很多時候會見到兩條彩虹同時出現，在平常的彩虹外邊出現同心，但較暗的副虹(又稱霓)。副虹是陽光在水滴中經兩次反射而成。當陽光經過水滴時，它會被折射、反射後再折射出來。在水滴內經過一次反射的光線，便形成我們常見的彩虹(主虹)。若光線在水滴內進行了兩次反射，便會產生第二道彩虹(霓)。霓的顏色排列次序跟主虹是相反的。由於每次反射均會損失一些光能量，因此霓的光亮度亦較弱。兩次反射最強烈的反射角出現在50°至53°，所以副虹位置在主虹之外。因為有兩次的反射，副虹的顏色次序跟主虹反轉，外側為藍色，內側為紅色。副虹其實一定跟隨主虹存在，只是因為它的光線強度較低，所以有時不被肉眼察覺而已。蘇格蘭上空的雙重彩虹1307年時歐洲已有人提出彩虹是由水滴對陽光的折射及反射而造成。笛卡爾在1637年發現水滴的大小不會影響光線的折射。
光的波長決定光的彎曲程度事實上如果條件合適的話，可以看到整圈圓形的彩虹。彩虹的形成是太陽光射向空中的水珠經過折射→反射→折射 後射向我們的眼睛所形成。 不同顏色的太陽光束 經過上述過程形成彩虹的光束與原來光束的偏折角約 180 - 42 = 138度。也就是說，若太陽光與地面水平，則觀看彩虹的仰角約為 42度。
想像你看著東邊的彩虹，太陽在從背後的西邊落下。白色的陽光(彩虹中所有顏色的組合)穿越了大氣，向東通過了你的頭頂，碰到了從暴風雨落下的水滴。當一道光束碰到了水滴，會有兩種可能：一是光可能直接穿透過去，或者更有趣的是，它可能碰到水滴的前緣，在進入時水滴內部產生彎曲，接著從水滴後端反射回來，再從水滴前端離開，往我們這裡折射出來。這就是形成彩虹的光。
光穿越水滴時彎曲的程度，端視光的波長(即顏色)而定——紅色光的彎曲度最大，橙色光與黃色光次之，依此類推，彎曲最少的是紫色光。
每種顏色各有特定的彎曲角度，陽光中的紅色光，折射的角度是42度，藍色光的折射角度只有40度，所以每種顏色在天空中出現的位置都不同。
若你用一條假想線，連接你的後腦勺和太陽，那麼與這條線呈42度夾角的地方，就是紅色所在的位置。這些不同的位置勾勒出一個弧。既然藍色與假想線只呈 40度夾角，所以彩虹上的藍弧總是在紅色的下面。
彩虹之所以為弧型這當然與其形成有著不可分割的關係，同樣這也與地球的形狀有很大的關係，由於地球表面為一曲面而且還被厚厚的大氣所覆蓋，在雨後空氣中的水含量比平時高，當陽光照射入空氣中的小水滴形成了折射，同時由於地球表面的大氣層為一弧面從而導致了陽光在表面折射形成了我們所見到的弧形彩虹!
與地球的形狀有很大的關係由於地球表面是一個曲面並且被厚厚的大氣所覆蓋，雨後空氣中的水含量比平時高，當陽光照射入空氣中的小水滴時就形成了折射。同時由於地球表面的大氣層為一弧面從而導致了陽光在表面折射形成了我們所見到的弧形彩虹!
2011年11月27日消息，57歲的攝影愛好者菲爾-湯普森拍攝了一幅令人不可思議的照片，
展現海面反射出雙彩虹的罕見景象。這幅照片在澳大利亞維多利亞的貝拉林半島拍攝。當時，海面不僅反射彩虹，並且將彩虹「一分為二」。兩道彩虹角度不同，好似從海面射出，景象令人嘆為觀止。
這種「倒影彩虹」在陽光因雨滴存在發生偏移前被水面反射形成。相比之下，「反射彩虹」更為常見，由陽光在水中反射前因雨滴發生偏斜所致。「倒影彩虹」是一種非常罕見的現象，湯普森能夠捕獲到這一景象非常幸運。這種現象只有在所有條件都符合的情況下才會出現，例如水面寬闊、平靜並且靠近雨幕。大氣光學網站的萊斯-科維裡表示：「菲爾捕獲到一種非常罕見而美麗的彩虹效應。」
2012年8月25日，在中國青海省玉樹藏族自治州，在距離當地果青小學不遠處的草原上出現了雙彩虹，當時突然烏雲密布，然後大風大雨，不一會雨小後，天空便出現了上下兩道非常清晰、美麗的彩虹，持續了半小時之久。當時在草原上參加草原音樂節的來自全國各地的獻愛心志願者都舉起相機拍攝，據當地人說，這種雙彩虹一年都難得見到一次，被他們視為好運的象徵。
2012年9月13日，在中國山西省太原市忽然下了一陣「太陽雨」，雨後天空同時出現二道彩虹。