La présence d'une couche d'air chaud près du sol entraîne une déviation des rayons lumineux ; ceux-ci n'arrivent plus en ligne droite à l'œil de l'observateur. La trajectoire de ces rayons lumineux se courbe. L'œil humain raisonne avec logique : les rayons lumineux arrivent selon lui en ligne droite.
Ce que l'observateur verra ne sera donc que le reflet de la couche froide surmontant l'air chaud du sol : le ciel (que l'on confond alors avec une étendue d'eau).

Ces mirages sont fréquents dans les grandes étendues désertiques chauffées à blanc par le soleil.

Les mirages existent aussi dans les régions polaires ou sur les océans. L'air au contact d'une surface froide entraîne la formation d'une couche d'air froid près du sol. La trajectoire des rayons lumineux est déformée, L'œil verra alors l'objet surélevé par rapport au sol!