Eine Fata Morgana beruht auf dem Prinzip der Lichtbrechung und der Tatsache, dass sich der Brechungsindex von Licht mit der Lufttemperatur ändert. So wird Licht in heißer Luft (nahe am Boden) weniger gebrochen, als in den kühleren Luftschichten darüber. Anders kann man auch sagen, dass die warme Luft weniger dicht ist, als die kälteren Luftschichten darüber, was einen Einfluss auf den Brechungsindex des Lichtes hat.
In der Graphik links ist die Lichtbrechung bei einer Fata Morgana schematisch gezeigt. Unter normalen Umständen sieht der Betrachter das Auto direkt (roter Pfeil). Ist die Luft nahe über der Straße jedoch wärmer, als die etwas höheren Luftschichten, wird das Licht wie mit dem blauen Pfeil gezeigt gebrochen. Der Betrachter nimmt jedoch immer an, dass das Licht einen geraden Weg in unser Auge zurücklegt. Man glaubt somit das Auto gespiegelt in der Straße liegen zu sehen (pinker Pfeil).
Eine Fata Morgana kann man im Prinzip überall (in Bodennähe) beobachten, wenn der Boden sehr viel wärmer ist, als die Umgebungsluft. Das passiert meistens bei dunklen Bodenflächen, wie zum Beispiel Asphalt, oder dunklen Autodächern.
In der Wüste, oder auf de
m Meer kann die Fata Morgana auch hoch über dem Boden auftreten und ganze Oasen, oder Küstenlandschaften in die Luft projizieren. In der Graphik links ist eine Fata Morgana über der kalten Wasserfläche auf dem Meer gezeigt. Hier findet die Spiegelung genau umgekehrt, wie bei dem Beispiel auf der Straße statt, sodass das Segelschiff in der Luft zu schweben scheint.