Pline l'Ancien en fait la description suivante :
« Nous appelons arc-en-ciel un phénomène qui, en raison de sa fréquence, n'est ni une merveille ni un prodige ; car il n'annonce pas, d'une manière sûre, même la pluie ou le beau temps. Il est évident que le rayon solaire entré dans une nuée concave est repoussé vers le soleil et réfracté, et que la variété des couleurs est due au mélange du nuage, de l'air et du feu. Ce phénomène ne se voit qu’à l'opposite du soleil. Il n'a jamais d'autre forme que celle d'un demi-cercle. Il ne se montre jamais la nuit, bien qu'Aristote rapporte qu'on en a vu quelquefois. Cependant le même Aristote avoue que cela ne peut arriver que le trentième jour de la lune. Les arcs-en-ciel se montrent en hiver, surtout durant la décroissance des jours, après l'équinoxe d'automne. Après l'équinoxe du printemps, quand les jours croissent, il n'y a pas d'arc-en-ciel; il n'y en a pas non plus vers le solstice, pendant les jours les plus longs; mais ils sont fréquents vers le solstice d'hiver, c'est-à-dire pendant les jours les plus courts. Ils sont élevés quand le soleil est bas, bas quand le soleil est élevé, moindres au lever ou au coucher, mais ayant de la largeur; étroits à midi, mais embrassant un plus grand espace. En été, on n'en voit pas à midi; après l'équinoxe d'automne, on en voit à toute heure, et jamais plus de deux à la fois. »
Le rôle de la réfraction de la lumière sur des gouttelettes d'eau est à nouveau suspecté au début du XIVe siècle par le persan Al-Fârisî et par Dietrich von Freiberg.
L'historien anthropologue Michel Pastoureau, spécialiste des couleurs, nous rappelle que, dans les textes comme dans les images depuis l'antiquité jusqu'au Moyen Âge, les arcs-en-ciel ont trois, quatre ou cinq couleurs, mais jamais sept, car le spectre n'était pas encore connu. Robert Grosseteste est l'un des premiers à distinguer sept couleurs fondamentales, au début du XIIIe siècle.
René Descartes redécouvre le principe de la loi de la réfraction en 1637. Isaac Newton précise les calculs dans la deuxième moitié du XVIIe siècle.