Ở một cầu vồng thông thường, ánh sáng đi vào giọt nước, phản xạ đúng một lần ở mặt sau rồi thoát ra ngoài, tạo nên cầu vồng chính mà ta quen thấy với màu đỏ ở phía ngoài và tím ở phía trong. Nhưng trong cùng những giọt nước ấy, một phần nhỏ ánh sáng lại phản xạ thêm một lần nữa bên trong trước khi thoát ra, tức là phản xạ hai lần. Vì phải trải qua thêm một lần phản xạ và khúc xạ, ánh sáng này thoát ra ở một góc khác và yếu hơn hẳn về cường độ, tạo thành một vòng cung cầu vồng thứ hai nằm phía bên ngoài cầu vồng chính, mờ nhạt hơn nhiều.

Nguyên nhân cốt lõi là số lần phản xạ nội bộ ánh sáng trải qua bên trong giọt nước trước khi thoát ra ngoài mắt người quan sát. Mỗi lần ánh sáng phản xạ thêm, một phần năng lượng bị thất thoát ra ngoài ngay tại điểm phản xạ đó thay vì đi tiếp, nên cầu vồng bậc hai luôn mờ hơn cầu vồng chính đáng kể. Vì đường đi ánh sáng bị đảo lại một lần nữa so với cầu vồng bậc một, thứ tự màu của cầu vồng phụ bị đảo ngược hoàn toàn: đỏ nằm phía trong gần cầu vồng chính, còn tím nằm ngoài cùng. Khoảng cách góc giữa hai cầu vồng cũng cố định theo quy luật quang học, luôn tạo ra một dải trời tối hơn nằm xen giữa hai vòng cung, gọi là dải tối Alexander.

Bạn dễ quan sát cầu vồng đôi nhất vào những cơn mưa rào có ánh nắng chiếu rất mạnh ngay sau đó, khi lượng nước trong không khí đủ nhiều để cả hai loại phản xạ đều đủ ánh sáng để mắt người nhận ra, chẳng hạn sau một cơn giông chiều hè khi trời quang trở lại đột ngột. Nhiều bức ảnh cầu vồng đôi nổi tiếng trên mạng xã hội, với vòng cung mờ phía ngoài và dải trời tối hẳn ở giữa hai vòng cung, chính là bằng chứng trực quan rõ nhất cho dải tối Alexander mà các nhà vật lý đã mô tả từ hàng trăm năm trước.

Nhiều người khi thấy cầu vồng đôi tưởng đó là "cầu vồng bị phản chiếu" qua mặt nước hay mây, nhưng thực chất cả hai vòng cung đều hình thành từ cùng những giọt nước, chỉ khác số lần ánh sáng phản xạ bên trong mỗi giọt. Cũng có người không để ý rằng màu sắc của cầu vồng phụ bị đảo ngược hoàn toàn so với cầu vồng chính, mà cho rằng cả hai đều có cùng thứ tự màu, trong khi đây chính là dấu hiệu để phân biệt chắc chắn đâu là cầu vồng chính, đâu là cầu vồng phụ.