Преломление света при формировании фата-морганы происходит следующим образом: в нижних слоях атмосферы образуются чередующиеся полосы воздуха разной плотности и температуры, в результате чего свет, проходящий через них, преломляется. 1

Крошечные капельки разреженной воды, присутствующие в воздухе, действуют как увеличительное стекло, отражая то, что расположено прямо по горизонту, причём в перевёрнутом виде. 1

В результате отражения и преломления лучей реально существующие (в том числе находящиеся далеко за горизонтом) 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. 3