在沙漠中，迷路的人缺水缺粮，忽然看见了绿洲，但走近了却发现原来只是海市蜃楼的幻影，空欢喜一场。这虽然是电影常用的片段，但海市蜃楼是真有其事的，是大自然跟我们在玩光线的魔法。它的成因是光线在空气中被折射，再加上全内反射的结果。
如果要明白海市蜃楼的成因，首先要明白为什么光线在空气中会被折射。原来，不同温度的空气有不同的折射率，就好像许多不同的介质一样。靠近地面的空气较热，折射率较低。我们可以把空气想象为许多层的介质，而每一层的折射率都不同，越接近地面，折射率越低。因此光线在空气中行走时，光的路径会越来越偏折。
海市蜃楼发生时，光线所走的路径是弯曲的。
假设有个绿洲，发出的光线被空气折射，走一条弯弯的路径。在中途，光线发生全内发射，使光线往上走。之后，光线再次被空气折射，最后光线会进入站在观测者的眼睛，他沿着进入眼睛的光线直着看过去，使他形成错觉，误以为绿洲很接近他！
很久以前，人类便发现了全内反射，更把这个现象加以应用，例如光纤、单镜反光照相机和双筒望远镜都应用了全内反射的原理。