海市蜃樓原理是光的折射。光從一種介質斜射入另一種介質時，傳播方向發生改變，從而使光線在不同介質的交界處發生偏折。
光的折射與光的反射一樣都是發生在兩種介質的交界處，只是反射光返回原介質中，而折射光線則進入到另一種介質中。由於光在兩種不同的物質裏傳播速度不同，故在兩種介質的交界處傳播方向發生變化，這就是光的折射。
海市蜃樓是一種反常的折射現象，它是光線在垂直方向密度不同的大氣層中傳播，經過折射造成的結果。常分為上現、下現和側現海市蜃樓。
上蜃景
名稱來自於意大利的MorganleFay，神話中與亞瑟王是異母姊妹的仙女。他會更替的出現被壓縮或伸展、倒置和抬升的影像。上蜃景也是一種快速變化的蜃景。
上蜃景幾乎可以在任何區域中觀察到，但是最常見的是在極地，特別是有着一致低温的大片冰層。在極地的上蜃景現象都在相對較冷的天氣被觀察到，然而在沙漠、海洋、和湖泊，可以在熱天觀察到。要生成上蜃景，逆温層須要對光線造成強大的偏折，在逆温層內的偏折必須大於地球表面的曲率。在這樣的條件下，光線被偏折並且成為弧形。一為觀測者的位置必須在其中或低於大氣波導之下才能看見上蜃景。從海平面到高山頂，甚至在飛機上，在大氣層的任何高度都可以看見上蜃景。
凡是物體的映像或幻景看上去好像從天空某一空氣層反射而來的，則稱為上現蜃景。上現蜃景常出現於海上，和北方有冰雪覆蓋的地方。這是因為海水錶面蒸發時要消耗熱量同時海水温度的升高緩慢，而在冰雪覆蓋的地區由於冰雪面能將大部分太陽光反射掉同時冰雪融化時也要消耗大量熱量，致使下層的温度變得很低，因此在這些地方最容易出現強烈的逆温現象。如果近地面層是強逆温時，空氣密度會隨高度迅速減小，光線在這種氣温隨高度升高因而使空氣密度隨高度鋭減的氣層中傳播，會向下屈折，遠方地平線處的樓宇等的光線經摺射進入觀測者眼簾，便出現了上現蜃景。
下蜃景
之所以稱為“下”是因為看見的影像是在實際物體下方的緣故。真實的物體是藍天或在這一方向的遠方物體，意思是説我們看見的物體實際上是在遠方地面被藍色補綴的。對在沙漠中筋疲力竭的旅行者，它看起來像是湖水；在柏油路的道路上，它看似滿溢的水或甚致是油。這被稱為“沙漠蜃景”或“高速路蜃景”。在陽光的曝曬下砂和柏油都會變得很熱，很容易就會比上方1米的空氣熱上10℃，而足以形成蜃景。
來自遠方特定距離物體的光線全都穿越幾乎相同的空氣層，並且全部都有相同的偏折量。因此來自物體頂端的光現將比那些來自底部的光線更低，所以這些蜃景經常是倒立的，天空增強了影像的錯覺，使得遠方物體的影象很像經過擾動的水或油坑表面作用的鏡像。
下蜃景的影象是不穩定的。熱空氣上升和冷空氣(因為密度較高)下降，因此空氣層會混合，引起上升的湍流，圖象會因此而被扭曲。它也可能會振動、垂直擴展(高聳)或橫向擴展(水平變寬)。如果有幾層不同的温度層，可能會混核好幾個蜃景，導致雙(重疊)的影像。在任何情況下，蜃景的高度通常不會超過伴度(等同於月球或太陽的視直徑)，並且與實物相距只有幾公里。
凡是物體的映像或幻景看上去好像由地面反射而來的，則稱為下現蜃景。下現蜃景大都出現熱季的沙漠上或冬季暖洋流的海上。在晴朗少雲平靜無風的天氣裏，陽光照射在乾燥的沙土上，沙土的比熱小，土温上升極快，這裏幾乎沒有水分蒸發，土壤分子傳熱又極慢，熱量集中在表層，所以接近土壤層的空氣温度也上升的很快，但上層空氣卻仍然很涼。當近地層是強烈降温層時，氣温隨高度很快降低，空氣密度隨高度很快增加，而光線在氣温隨高度而降低的氣層內傳播時會向上屈折，遠方地平線處的景物的光線，經摺射後直入觀測者眼簾，便出現了下現蜃景。
側向蜃景
當水平方向的大氣密度很不同，使大氣折射率在水平方向存在很大不同的時候，便可能出現側向蜃景。
此外，根據它與原物的對稱關係，可以分為正蜃、側蜃、順蜃和反蜃；根據顏色可以分為彩色蜃景和非彩色蜃景等等。
