Фата-моргана возникает в нижних слоях атмосферы из-за разницы температур. 2 В результате образуются чередующиеся полосы воздуха разной плотности, в результате чего свет, проходящий через них, преломляется. 1

У тёплого воздуха показатель преломления света меньше, у холодного — больше. 3 В таком атмосферном «пироге» образуется преломляющая линза, которая создаёт серию проекций для фата-морганы. 3

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

Чаще всего этот оптический феномен можно увидеть в полярных регионах, где сосредоточено много ледяных покровов с равномерной низкой температурой. 1 Однако иногда он встречается и в пустынях, и над океанами, над озёрами — преимущественно в особенно жаркие дни. 1