En los desiertos tropicales, el aire en contacto con el suelo tórrido se calienta y su densidad varía de tal manera que, contrario a lo usual, el aire más frío se mantiene encima del más caliente, el cual fue calentado por la radiación reflejada por el suelo. Esto crea una densidad desigual en el aire que le otorga varios índices de refracción. Por lo tanto, un rayo de luz reflejado por un objeto lejano que va hacia abajo, y en la dirección del observador, va experimentando refracciones sucesivas al atravesar las distintas capas de aire; su inclinación hacia el suelo es cada vez menor y, tras llegar a la horizontal, el rayo sufre nuevas refracciones, aunque esta vez hacia arriba. Así es como, tras haber descrito una trayectoria curva de convexidad dirigida hacia abajo, llega al ojo del observador, que ve en el suelo(espejismo inferior) una imagen poco neta del objeto. Ahora bien, como otros rayos de procedencia real llegan también directamente al ojo del observador, éste tiene la impresión de ver a la vez el objeto (por ejemplo, una palmera en un desierto) y, al pie del mismo, una segunda imagen invertida, como si esta palmera se reflejara en una superficie líquida inexistente. Por tanto, en las horas más calurosas del verano, la imagen del cielo parece venir del asfalto de la carretera caliente, a la vez que ésta parece mojada o encharcada para el observador.

Es excepcional que la trayectoria de los rayos luminosos sea convexa hacia arriba (espejismo superior); de producirse, un barco, una montaña, etc., parecen flotar en la atmósfera.