在平靜無風的海麵上，向遠方望去，有時能看到山峰、船舶、樓台、亭閣等景象。古人認為這是海中蛟龍（即蜃）吐出的氣結成的，因此叫做“海市蜃樓”。海市蜃樓經常發生在沿海地帶，在沙漠中偶爾也能見到。在這種現象發生時，人們會看到房屋、人、山、森林等景物，並且可以運動，栩栩如生。有人認為那是一種人間仙境。現在，人們通常把“海市蜃樓”說成是大氣折射的結果，由於折射的作用，把遠處的景物折射到近處來了。到底是不是這麼回事呢？
事實上，海市蜃樓是光在密度分布不均勻的空氣中傳播時發生全反射造成的。當光線在同一密度的均勻介質中傳播的時候，光的速度不變，它會沿著直線的方向前進，但是當光線傾斜地由這一介質進入另一密度不同的介質時，光的速度就會發生改變，傳播的方向也會發生曲折，這種現象叫做折射。當你把一根筆直的筷子傾斜地插入水中時，可以看到筷子在水下部分與它露在水上的部分好像折斷了一般，這就是光的折射造成的。當光從光密（即光在此介質中的折射率大）媒質射到光疏（即光在此介質中折射率小）媒質的界麵時，就會全部被反射回原媒質內，這種現象叫做光的全反射。
夏天。海麵下層空氣的溫度要比上層低，密度也比上層大，因此折射率也比上層大。我們可以把海麵上的空氣看成是由折射率不同的很多水平氣層組成的。遠處的山峰、船舶、樓房等發出的光線射向空中時，由於不斷被折射，進入上層空氣的入射角不斷增大，以致發生全反射，所以光線全部反射回地麵，人們逆著光線望去，就會看到遠方的景物仿佛懸在空中一樣。
在炎熱的柏油馬路上，同樣能看到這種現象。貼近熱路麵附近的空氣層比上層空氣的折射率小。從遠處物體射向路麵的光線，就可能發生全反射，從遠處看去，路麵顯得格外明亮光滑，就像用水淋過一樣。
在沙漠裏，海市蜃樓的現象也時常發生。白天沙石被太陽曬得滾熱，接近沙層的氣溫升高極快。因為空氣不善於傳熱，所以在無風的時候，空氣上下層間的熱量交換非常小，於是使下熱上冷的氣溫垂直差異非常明顯，並導致下層空氣密度反而比上層小的反常現象。在這種情況下，如果前方有一棵樹，它生長在比較濕潤的地方，這時由樹梢傾斜向下投射的光線，因為是由密度大的空氣層進入密度小的空氣層，就會發生折射。折射光線到了貼近地麵熱而稀的空氣層時，就發生全反射，光線又由近地麵密度小的氣層反射回到上麵較密的氣層中去。這樣，就把樹的影像送到人的眼中，於是遠遠看去，我們就會看到一棵樹的倒影懸掛在高空。
無論是哪一種海市蜃樓，都隻能在無風或風力極弱的天氣條件下出現。一旦風力增強，引起上下層空氣的攪動混合，上下層空氣密度的差異就會減小，光線沒有什麼異常折射和全反射，那麼所有的幻景就會立即消失。