Hiện tượng mặt trời đỏ là do hiện tượng tán xạ của ánh sáng trong khí quyển.
Bầu khí quyển của trái đất có chứa nhiều hạt nhỏ như bụi, tro, phấn hoa, các chất khí và hơi nước, những thành phần trong khí quyển này sẽ phản xạ và tán xạ ánh sáng mặt trời theo các hướng khác nhau trước khi đến mắt con người.
Trong khoảng thời gian mặt trời nằm ở phần thấp trên đường chân trời, quãng đường các tia sáng mặt trời phải chiếu xuyên qua bầu khí quyển dài hơn 30% so với ban ngày. Những ánh sáng có bước sóng ngắn như tím và xanh da trời bị tán xạ nhiều, chỉ còn những ánh sáng có bước sóng dài hơn như vàng, da cam, đỏ ít bị tán xạ được truyền đến mắt người quan sát (màu đỏ là màu có bước sóng dài nhất trong quang phổ nhìn thấy được). Vì vậy, khi mặt trời mọc và lặn, bầu trời xuất hiện màu đỏ và màu da cam.
Bên cạnh đó, vào thời điểm hoàng hôn hoặc bình minh, ánh sáng mặt trời phải đi xuyên qua lượng khí quyển dày nhất trước khi đến mắt người quan sát, cũng là lúc những ánh sáng thiên về màu xanh bị tán xạ nhiều nhất. Do đó, vào những thời điểm này, ta sẽ thấy mặt trời và bầu trời có màu đỏ cam rực rỡ.
Khi mặt trời đi gần lên thiên đỉnh, ánh sáng mặt trời sẽ xuyên qua lượng khí quyển ít nhất để đến được mắt người quan sát trên bề mặt Trái Đất. Điều này có nghĩa là những tia sáng này không có cơ hội va vào nhiều hạt cấu thành của khí quyển.
Do đó, tất cả các màu của ánh sáng mặt trời đến mắt người quan sát với cường độ gần như bằng nhau; Sự kết hợp của tất cả các bước sóng này tạo cho mặt trời một màu trắng chói mắt (KHÔNG nên quan sát bằng mắt thường).
