晚霞的形成主要是由於太陽光在穿過大氣層時的散射作用。大氣層中存在許多微小粒子，這些粒子會使光線偏離原來的傳播方向，改向四周傳播，這種現象稱為瑞利散射。在可見光波段中，紅光的波長最大，紫光波長最短。根據瑞利散射的原理，紫色、藍色光很容易被散射開來，而紅色、橙色光相對不容易被散射。當太陽落山時，太陽光在大氣中有很厚的大氣層要穿過，在這個過程中藍紫光都被大量散射，於是只剩下了紅橙色的光能夠進入我們的視線，因此雲層就如同我們看到的被染成紅彤彤的顏色了。
此外，雲層位置與太陽光線的角度、雲層的高低也會造成不同樣貌的晚霞。如果當雲層較高，太陽沒有被遮擋，光線從下往上照射到雲層上，就會形成視覺上產生層次感的晚霞。
晚霞的出現也與空氣中的塵埃和水汽有關。早晨大氣的塵埃較少，若絢麗朝霞出現，則說明東方存在含大量水汽的雲層。經過太陽一天的炙烤，低空大氣中水分一般所剩無幾，但一天的塵埃卻飄浮集中到低層。鮮艷的晚霞就是由塵埃等粒子對陽光散射而成，它們也表明西邊的空氣乾燥，氣流有自西向東移動的規律，乾燥的空氣盤踞在頭頂，那一定是晴空萬里了。