物理反射装置，使光线从水里投射到水和空气的交界面上，就可以看到光线在这个交界面上分两部分：一部分反射到水里，一部分折射到空气中去。如果转动水中的那面镜子，使投向交界面的光线更倾斜一些，那么光线在空气中的折射现象就会显得更厉害些。这就是形成海市蜃楼的主要条件。
沙漠中，沙土被阳光晒得灼热，因沙土的比热容较小，温度上升极快，沙土附近的下层空气温度上升得很高，而上层空气的温度仍然很低，这样就形成了气温的反常分布。而后由于热胀冷缩，接近沙土的下层热空气密度小，而上层冷空气的密度大，这样空气的折射率是下层小而上层大。当远处较高物体反射出来的光，从上层较密空气，进入下层较疏空气时，就会被不断折射，其入射角会逐渐增大，增大到等于临界角时发生全反射，这时，人的视角点是逆着反射光线看去，所以就会看到所谓的海市蜃楼。海市蜃楼是光线反射形成的虚像，而并非是实像。
夏夏进一步解释说道，“海市蜃楼只能在无风，或风力极微弱的天气条件下出现。而且要有一定的高温，使得比热容较小的介质，反复的发生反射。当起风的时候，引起了上下层空气的搅动混合，上下层空气密度的差异减小了，光线没有什么异常折射和全反射