Эффект фата-морганы возникает из-за рефракции света — искривления световых лучей при прохождении ими атмосферы. 1

Необходимое условие для появления фата-морганы — чередование нескольких слоёв воздуха с различной температурой и плотностью. 1 У тёплого воздуха показатель преломления света меньше, у холодного — больше. 1

В таком атмосферном «пироге» образуется преломляющая линза, которая создаёт серию проекций — искажённые изображения реально существующих объектов, в том числе находящихся далеко за горизонтом. 13

Крошечные капельки разреженной воды, присутствующие в воздухе, действуют как увеличительное стекло, отражая то, что расположено прямо по горизонту, но в перевёрнутом виде. 5