С точки зрения физики появление фата-морганы объясняется тем, что в нижних слоях атмосферы образуются чередующиеся полосы воздуха разной плотности и температуры. 2 В результате свет, проходящий через них, преломляется. 2

Крошечные капельки разреженной воды, присутствующие в воздухе, действуют как увеличительное стекло, отражая то, что расположено прямо по горизонту, причём в перевёрнутом виде. 2

В результате отражения и преломления лучей реально существующие объекты дают на горизонте или над ним по нескольку искажённых изображений, частично накладывающихся друг на друга и быстро меняющихся во времени, что и создаёт причудливую картину фата-морганы. 1

Чаще всего этот оптический феномен можно увидеть в полярных регионах, где сосредоточено много ледяных покровов с равномерной низкой температурой. 2 Однако иногда он встречается и в пустынях, и над океанами, над озёрами — преимущественно в особенно жаркие дни. 2