霓虹的形成原理主要歸結於太陽光穿過大氣中懸浮的水滴，發生反射和折射，導致色散現象。
當太陽光以一定的角度射入水滴時，光線在水滴內部發生折射，由於不同顏色的光（即各波長的光）在水滴中的折射率不同，它們在水滴內部發生不同程度的偏折，然後在水滴的另一側反射回來，再次經過折射，到達人眼。由於紅光的折射率較小，偏折得較少，出現在彩虹的外側，而紫光的折射率較大，偏折得較多，出現在內側，形成我們通常所說的「虹」。
如果光線在水滴內部發生兩次反射後再折射出來，形成的是亮度較低的「霓」，位於「虹」的上方。這是因為光線在水滴內部經歷兩次反射後，能量損失較多。簡而言之，霓虹的形成是由於太陽光經過大氣中水滴的兩次反射和折射作用，導致色散和光線方向的改變，最終在人眼中形成彩色弧形的視覺現象。