在平静无风的海面上，向远方望去，有时能看到山峰、船舶、楼台、亭阁等景象。古人认为这是海中蛟龙（即蜃）吐出的气结成的，因此叫做“海市蜃楼”。海市蜃楼经常发生在沿海地带，在沙漠中偶尔也能见到。在这种现象发生时，人们会看到房屋、人、山、森林等景物，并且可以运动，栩栩如生。有人认为那是一种人间仙境。现在，人们通常把“海市蜃楼”说成是大气折射的结果，由于折射的作用，把远处的景物折射到近处来了。到底是不是这么回事呢事实上，海市蜃楼是光在密度分布不均匀的空气中传播时发生全反射造成的。当光线在同一密度的均匀介质中传播的时候，光的速度不变，它会沿着直线的方向前进，但是当光线倾斜地由这一介质进入另一密度不同的介质时，光的速度就会发生改变，传播的方向也会发生曲折，这种现象叫做折射。当你把一根笔直的筷子倾斜地插入水中时，可以看到筷子在水下部分与它露在水上的部分好像折断了一般，这就是光的折射造成的。当光从光密（即光在此介质中的折射率大）媒质射到光疏（即光在此介质中折射率小）媒质的界面时，就会全部被反射回原媒质内，这种现象叫做光的全反射。
夏天。海面下层空气的温度要比上层低，密度也比上层大，因此折射率也比上层大。我们可以把海面上的空气看成是由折射率不同的很多水平气层组成的。远处的山峰、船舶、楼房等发出的光线射向空中时，由于不断被折射，进入上层空气的入射角不断增大，以致发生全反射，所以光线全部反射回地面，人们逆着光线望去，就会看到远方的景物仿佛悬在空中一样。
在炎热的柏油马路上，同样能看到这种现象。贴近热路面附近的空气层比上层空气的折射率小。从远处物体射向路面的光线，就可能发生全反射，从远处看去，路面显得格外明亮光滑，就像用水淋过一样。
在沙漠里，海市蜃楼的现象也时常发生。白天沙石被太阳晒得滚热，接近沙层的气温升高极快。因为空气不善于传热，所以在无风的时候，空气上下层间的热量交换非常小，于是使下热上冷的气温垂直差异非常明显，并导致下层空气密度反而比上层小的反常现象。在这种情况下，如果前方有一棵树，它生长在比较湿润的地方，这时由树梢倾斜向下投射的光线，因为是由密度大的空气层进入密度小的空气层，就会发生折射。折射光线到了贴近地面热而稀的空气层时，就发生全反射，光线又由近地面密度小的气层反射回到上面较密的气层中去。这样，就把树的影像送到人的眼中，于是远远看去，我们就会看到一棵树的倒影悬挂在高空。
无论是哪一种海市蜃楼，都只能在无风或风力极弱的天气条件下出现。一旦风力增强，引起上下层空气的搅动混合，上下层空气密度的差异就会减小，光线没有什么异常折射和全反射，那么所有的幻景就会立即消失。