Hamburan Rayleigh terjadi ketika cahaya berinteraksi dengan partikel di atmosfer yang jauh lebih kecil dari panjang gelombang cahaya. Partikel-partikel ini dapat mencakup molekul seperti nitrogen dan oksigen, serta debu dan tetesan air yang sangat kecil. Ketika cahaya bertemu dengan partikel-partikel ini, ia tersebar ke segala arah.

Hal ini paling terlihat pada siang hari ketika langit terlihat biru karena penyebaran panjang gelombang biru yang lebih pendek dari sinar matahari. Selain itu, hamburan Rayleigh juga terjadi selama matahari terbit dan terbenam, berkontribusi pada warna-warna cerah yang terlihat selama waktu-waktu ini ketika sinar matahari melewati lebih banyak atmosfer Bumi, menyebarkan panjang gelombang yang lebih pendek dan memungkinkan panjang gelombang yang lebih panjang mendominasi warna langit.

Jumlah hamburan tergantung pada panjang gelombang cahaya. Panjang gelombang yang lebih pendek, seperti cahaya biru dan ungu, tersebar lebih efektif daripada panjang gelombang yang lebih panjang seperti cahaya merah dan jingga. Hal ini karena panjang gelombang yang lebih pendek berinteraksi lebih kuat dengan partikel karena energi yang lebih tinggi.

Fenomena hamburan Rayleigh tidak hanya menjelaskan warna langit tetapi juga mempengaruhi berbagai fenomena optik, seperti warna awan, penampilan bintang, dan warna biru dari badan air seperti samudra.