Het witte zonlicht, dat alle kleuren van de regenboog bevat, wordt in de druppels gebroken, zodat ze apart zichtbaar worden. Deze kleuren (rood, oranje, geel, groen, blauw en violet) lopen in elkaar over. De boog is rood van buiten; naar binnen toe loopt de kleur via geel en groen naar blauwachtig en wordt daarbij steeds fletser. Kort voor zonsondergang worden achtereenvolgend alle kleuren uitgedoofd en uiteindelijk blijft alleen het rood over. Afhankelijk van de omstandigheden, kan de intensiteit van de kleuren onderling nogal verschillen, evenals de breedte van de kleurbanden. De kleurintensiteit en de breedte van de boog zijn afhankelijk van de grootte van de regendruppels. Hoe groter de druppels, des te smaller de regenboog, maar ook des te sterker de kleuren in het algemeen zijn. De regenboog is rond omdat deze de begrenzing vormt van het gebied aan de hemel waar het zonlicht dat in de regendruppels weerkaatst wordt, gezien kan worden. Die begrenzing heeft een bepaalde vaste afstand tot de zon en heeft dus de vorm van een kring.

De grootste regenbogen zijn 's ochtends vroeg of aan het einde van de middag te zien, wanneer de zon laag staat. Hoe lager de zon aan de hemel, hoe meer van de regenboog te zien is. Bij laagstaande zon is de regenboog een een halve cirkel. Vanuit een vliegtuig kunnen we zelfs een volledige cirkel zien. Overdag, wanneer de zon hoger aan de hemel staat, zien we hooguit een deel van de boog. Hoe hoger de zon des te lager staat de regenboog en des te kleiner de cirkelboog die boven de horizon uitsteekt. Vaak zien we slechts stukken van de boog, omdat zich niet overal waar de regenboog zich zou kunnen voordoen, druppels bevinden. 

Af en toe herhalen de kleuren van de regenboog zich aan de binnenkant; de boog lijkt dan in meerdere smalle bogen opgesplitst. Soms zien we door dubbele terugkaatsing van zonlicht in druppels buiten de gewone regenboog nog een tweede zwakkere bijregenboog. De kleuren staan in omgekeerde volgorde van de hoofdboog. De bijboog staat een eindje buiten de gewone boog. Tussen de beide bogen is de hemel donker, de "band van Alexander" genoemd naar de Griekse filosoof Alexander van Aphrodisias (rond 200 n. Chr) die dit verschijnsel als eerste beschreef.

Bij een glad wateroppervlak kan soms een extra boog ontstaan, de spiegelboog. Die ontstaat omdat het spiegelbeeld van de Zon voor een extra regenboog aan de hemel zorgt. Ook bij volle maan zien we soms een regenboog verschijnen. Deze boog lijkt kleurloos, maar dat komt omdat ons oog bij nacht vrijwel kleurenblind is. Op een kleurendia van de maanboog zijn de kleuren wel degelijk te zien. Een sneeuwboog bestaat niet: om een boog te zien zijn bolvormige transparante deeltjes nodig en sneeuw bevat geen ijsbolletjes.