海市蜃楼是由于海水的热容量很大，在强烈的阳光照耀下，水温也不容易升高。这时，海面上的空气层出现了上暖下冷的现象，使得空气的密度上层小下层大。在无风的天气里，这样的空气层保持着相对的稳定。
　　如果海边有一位观察者，海中A处有一个小岛。由A发出的光从密度大的空气下层（光密介质）向上射，由于空气的密度逐渐变小，所以光会逐渐偏离法线方向（即折射角逐渐增大），沿着一条曲线AC前进。光线到达C点时，由于人射角恰好大于临界角，发生了全反射。光从C点折回后，则从密度小的空气上层进入密度大的空气下层，光线会逐渐靠近法线方向，沿曲线CO，进入观察者的眼睛。而观察者见到的小岛的像是沿着曲