海市蜃楼形成的原因是：因为光的折射，光从一种介质斜射入另一种介质时，传播方向发生改变，从而使光线在不同介质的交界处发生偏折。所以我们看到的海市蜃楼景象只是地球上物体反射的光经大气折射而形成的虚像，其本质是一种光学现象。
由于密度不同，光线会在气温梯度分界处产生折射现象。我们的大脑认为光线总是沿直线传播，但是当光线通过下方温度低、密度大的大气时，就会向下折射，所以大脑中显现的远处物体就会比实际高。而海市蜃楼经常发生在海上，因为海上一定范围之内的空间空气湿度较大，厚度也比较大，这样大面积的水蒸气在运动下阴差阳错地形成了一个巨大的透镜系统。