Ánh sáng mặt trời nhìn thì trắng nhưng thật ra là hỗn hợp của rất nhiều màu trộn lẫn, giống như bảy sắc cầu vồng gộp lại. Khi các tia sáng ấy xuyên qua bầu khí quyển, chúng va vào những phân tử khí nhỏ li ti như oxy và nitơ. Mỗi lần va chạm, một phần ánh sáng bị bật ngược lại và tỏa ra các hướng khác nhau, hiện tượng này gọi là tán xạ. Ánh sáng xanh lam bị tán xạ mạnh hơn hẳn ánh sáng đỏ hay vàng, nên nó văng đi khắp bầu trời và lọt vào mắt ta từ mọi phía, khiến cả vòm trời trông xanh biếc dù mặt trời chỉ ở một điểm.

Nguyên nhân cốt lõi nằm ở một quy luật vật lý gọi là tán xạ Rayleigh: ánh sáng có bước sóng càng ngắn thì càng dễ bị các phân tử khí nhỏ bắn tung ra nhiều hướng. Trong dải bảy sắc, ánh sáng xanh lam có bước sóng ngắn nên bị tán xạ mạnh gấp nhiều lần so với ánh sáng đỏ có bước sóng dài. Thực ra ánh sáng tím còn bị tán xạ mạnh hơn cả xanh lam, nhưng mặt trời phát ra tím ít hơn, và mắt người vốn kém nhạy với tím, nên cuối cùng màu ta thấy rõ nhất trên bầu trời vẫn là xanh lam. Nếu không có bầu khí quyển để tán xạ ánh sáng, trời sẽ luôn đen kịt như ta thấy trong các bức ảnh chụp trên Mặt Trăng.

Con để ý mà xem, vào buổi trưa khi mặt trời đứng bóng, bầu trời xanh rất đậm vì ánh sáng chỉ cần xuyên qua một lớp khí quyển mỏng để tới mắt ta. Nhưng lúc hoàng hôn, khi mặt trời hạ thấp gần đường chân trời, ánh sáng phải len qua một lớp không khí dày hơn rất nhiều; phần lớn ánh xanh đã bị tán xạ bay hết dọc đường, chỉ còn ánh đỏ và cam ít bị tán xạ hơn lọt được tới mắt ta, nên bầu trời chiều mới nhuộm sắc cam đỏ rực rỡ. Đó cũng là lý do vì sao cùng một bầu trời mà sáng sớm, giữa trưa và chiều tà lại mang những sắc thái khác hẳn nhau.

Nhiều em nhỏ (và cả người lớn) đoán rằng bầu trời xanh là vì nó phản chiếu màu của biển cả, nhưng thực ra thứ tự phải ngược lại: biển trông xanh phần lớn cũng vì nó phản chiếu bầu trời xanh ở phía trên. Cũng có người nghĩ không khí vốn dĩ có màu xanh sẵn như một tấm kính màu, nhưng không khí thực chất trong suốt không màu; xanh lam chỉ xuất hiện khi ánh sáng mặt trời bị các phân tử khí tán xạ ra khắp bầu trời. Chính vì thế mà một phi hành gia đứng trên Mặt Trăng, nơi không có không khí để tán xạ ánh sáng, sẽ luôn thấy bầu trời đen thẫm dù đang giữa ban ngày.