Vi sono diversi tipi di miraggi, che originano dalla rifrazione della luce da parte degli strati d'aria a diversa temperatura. I raggi luminosi nell'atmosfera viaggiano in maniera rettilinea solo se gli strati d'aria hanno temperatura omogenea a tutte le quote. La curvatura terrestre rende i raggi proveniente da oggetti posti a grande distanza non paralleli al suolo e se esiste un forte gradiente termico, i raggi luminosi vengono deviati maggiormente passando da aria calda ad aria fredda e viceversa. Questa rifrazione produce un'immagine virtuale degli oggetti che sembra provenire da una direzione differente da quella reale.
I miraggi possono essere "superiori" o "inferiori". Questi ultimi vengono osservati più comunemente in estate, quando l'aria al suolo diventa molto calda, da deviare così fortemente la luce del cielo fino all'angolo di riflessione totale. Ci sembra così di vedere il cielo o la superficie di un liquido che galleggia sull'asfalto della strada in lontananza.

I miraggi "superiori" sono meno comuni ma più spetacolari, ed al contrario dei precedenti si osservano in condizioni di "inversione termica" cioè quando uno strato di aria fredda al suolo è sovrastato da aria più calda. Questa condizione meteorologica si verifica nella pianura padana in presenza di forti anticicloni invernali. Le lunghe notti di cielo sereno consentono un forte raffreddamento radiativo del suolo mentre aria più mite anticiclonica galleggia sopra l'aria fredda. Accade allora che i raggi luminosi vengano riflessi all'interfaccia freddo/caldo e ci sembrino provenire da un punto più alto del reale, capovolti.
Queste condizioni di inversione termica si possono anche verificare al di sopra della superficie marina più fredda dell'aria sovrastante, permettendo la visione sopra l'orizzonte di lontanissime navi rovesciate.