Klasyczny grecki uczony Arystoteles (384-322 p.n.e.) jako pierwszy poświęcił tęczy poważną uwagę. Według Raymonda L. Lee i Alistaira B. Fraser, „Pomimo wielu wad i odwołania do pitagorejskiej numerologii, jakościowe wyjaśnienie Arystotelesa wykazało się pomysłowością i względną spójnością, która nie miała sobie równych przez wieki. Po śmierci Arystotelesa wiele teorii tęczy było reakcjami na jego prace, choć nie wszystkie były bezkrytyczne.”
W księdze I Naturales Quaestiones (ok. 65 r. n.e.) rzymski filozof Seneka Młodszy obszernie omawia różne teorie powstawania tęczy, w tym teorie Arystotelesa. Zauważa, że tęcze pojawiają się zawsze naprzeciwko słońca, że pojawiają się w wodzie rozpylanej przez wioślarza, w wodzie wypluwanej przez trzepaczkę na ubranie rozciągnięte szczypcami, czy w wodzie rozpylanej przez mały otwór w pękniętej rurze. Mówił nawet o tęczach wytwarzanych przez małe szklane pręciki (virgulae), antycypując eksperymenty Newtona z pryzmatami. Miał na myśli dwie teorie: jedną, że tęcza powstaje dzięki słońcu odbijającemu się od każdej kropli wody, a drugą, że powstaje dzięki słońcu odbijającemu się od chmury w formie wklęsłego lustra; opowiedział się za tą drugą. Omówił również inne zjawiska związane z tęczą: tajemnicze „virgas” (pręty), halo i parhelia.
Według Hüseyin Ghazi Topdemir, arabski fizyk i polimata Ibn al-Haytham (Alhazen; 965-1039), próbował dostarczyć naukowe wyjaśnienie zjawiska tęczy. W swoim Maqala fi al-Hala wa Qaws Quzah, al-Haytham „wyjaśnił powstawanie tęczy jako obrazu, który powstaje w lustrze wklęsłym. Jeżeli promienie światła pochodzące z bardziej odległego źródła światła odbiją się w dowolnym punkcie na osi zwierciadła wklęsłego, to w tym punkcie utworzą koncentryczne okręgi. Jeśli przyjmiemy słońce jako dalsze źródło światła, oko widza jako punkt na osi lustra, a chmurę jako powierzchnię odbijającą, to można zaobserwować, że na osi tworzą się koncentryczne kręgi”. Nie mógł tego sprawdzić, ponieważ jego teoria, że „światło słoneczne jest odbijane przez chmurę zanim dotrze do oka” nie pozwalała na ewentualną weryfikację eksperymentalną. To wyjaśnienie zostało powtórzone przez Averroesa, i choć błędne, stanowiło podstawę dla poprawnych wyjaśnień podanych później przez Kamāl al-Dīn al-Fārisī w 1309 r. oraz, niezależnie, przez Teodoryka z Freibergu (ok. 1250 – ok. 1311) – obaj studiowali Księgę optyki al-Haythama.
Współczesny Ibn al-Haytham, perski filozof i uczony Ibn Sīnā (Avicenna, 980-1037), dostarczył alternatywne wyjaśnienie: „że łuk nie jest utworzony w ciemnej chmurze, ale raczej w bardzo drobnej mgle, która leży między chmurą a słońcem lub obserwatorem. Chmura, jak sądził, służy jedynie jako tło dla tej cienkiej substancji, podobnie jak wtedy, gdy powłoka rtęciowa jest umieszczona na tylnej powierzchni szkła w lustrze. Ibn Sīnā przesunąłby miejsce nie tylko łuku, ale także powstawania koloru, twierdząc, że opalizowanie jest po prostu subiektywnym odczuciem w oku”. Również to wyjaśnienie było jednak błędne. Relacja Ibn Sīnā przyjęła wiele argumentów Arystotelesa na temat tęczy.
W Chinach z czasów dynastii Song (960-1279), polimata i uczony-oficjalista o nazwisku Shen Kuo (1031-1095) wysunął hipotezę – podobnie jak wcześniej niejaki Sun Sikong (1015-1076) – że tęcze powstają w wyniku zjawiska spotkania światła słonecznego z kroplami deszczu w powietrzu. Paul Dong zwraca uwagę, że wyjaśnienie Shen’a dotyczące tęczy jako zjawiska refrakcji atmosferycznej „jest zasadniczo zgodne z nowoczesnymi zasadami naukowymi”.
Według Nadera El-Bizri, perski astronom Qutb al-Din al-Shirazi (1236-1311), podał dość dokładne wyjaśnienie zjawiska tęczy. Zostało to rozwinięte przez jego ucznia, Kamāl al-Dīn al-Fārisī (1267-1319), który dał bardziej matematycznie satysfakcjonujące wyjaśnienie tęczy. „Zaproponował model, w którym promień światła ze słońca został dwukrotnie załamany przez kroplę wody, z jednym lub więcej odbiciami występującymi pomiędzy tymi dwoma załamaniami.” Przeprowadzono eksperyment ze szklaną kulą wypełnioną wodą i al-Farisi wykazał, że dodatkowe załamania spowodowane szkłem mogą być pominięte w jego modelu. Jak odnotowano w jego Kitab Tanqih al-Manazir , al-Farisi użył dużego przezroczystego szklanego naczynia w kształcie kuli, które zostało wypełnione wodą, aby uzyskać eksperymentalny model kropli deszczu na dużą skalę. Następnie umieścił ten model w ciemnej komorze, która miała kontrolowany otwór umożliwiający przepuszczanie światła. Rzucał światło na kulę i w końcu wydedukował poprzez różne testy i szczegółowe obserwacje odbić i załamań światła, że kolory tęczy są zjawiskiem rozpadu światła.
W Europie Księga optyki Ibn al-Haythama została przetłumaczona na łacinę i przestudiowana przez Roberta Grosseteste’a. Jego prace nad światłem kontynuował Roger Bacon, który w swoim Opus Majus z 1268 r. pisał o eksperymentach ze światłem świecącym przez kryształy i krople wody pokazujące kolory tęczy. Ponadto Bacon jako pierwszy obliczył kątowy rozmiar tęczy. Stwierdził on, że wierzchołek tęczy nie może znajdować się wyżej niż 42° nad horyzontem. Wiadomo, że Teodoryk z Freibergu podał w 1307 roku dokładne teoretyczne wyjaśnienie zarówno pierwotnych, jak i wtórnych tęcz (rozwinięte później przez Antoniusa de Demini w 1611 roku). Wyjaśnił pierwotną tęczę, zauważając, że „kiedy światło słoneczne pada na pojedyncze krople wilgoci, promienie ulegają dwóm załamaniom (wejście i wyjście) oraz odbiciu (z tyłu kropli), zanim zostaną przekazane do oka obserwatora”. Tęczę wtórną wyjaśnił poprzez podobną analizę obejmującą dwa załamania i dwa odbicia.
René Descartes, w jego 1637 traktatu, Dyskurs o metodzie, dalej zaawansowane to wyjaśnienie. Wiedząc, że wielkość kropel deszczu nie miała wpływu na obserwowaną tęczę, eksperymentował z przechodzeniem promieni światła przez dużą szklaną kulę wypełnioną wodą. Mierząc kąty, pod jakimi promienie się pojawiały, doszedł do wniosku, że pierwotny łuk był spowodowany pojedynczym wewnętrznym odbiciem w kropli deszczu, a łuk wtórny mógł być spowodowany dwoma wewnętrznymi odbiciami. Poparł ten wniosek wyprowadzeniem prawa załamania światła (późniejszego, ale niezależnego od prawa Snella) i poprawnie obliczył kąty dla obu łuków. Jednak jego wyjaśnienie kolorów było oparte na mechanicznej wersji tradycyjnej teorii, że kolory powstały w wyniku modyfikacji światła białego.
Isaac Newton wykazał, że światło białe składa się ze światła wszystkich kolorów tęczy, które szklany pryzmat może rozdzielić na pełne spektrum kolorów – rozkład światła białego – odrzucając teorię, że kolory powstały w wyniku modyfikacji światła białego. Wykazał również, że światło czerwone załamuje się słabiej niż niebieskie, co doprowadziło do pierwszego naukowego wyjaśnienia głównych cech tęczy. Korpuskularna teoria światła Newtona nie była w stanie wyjaśnić nadliczbowych tęczy, dla których nie znaleziono zadowalającego wyjaśnienia, dopóki Thomas Young nie zdał sobie sprawy, że światło w pewnych warunkach zachowuje się jak fala i może interferować samo ze sobą.
Praca Younga, szczegółowo opracowana później przez Richarda Pottera, została udoskonalona w latach dwudziestych XIX wieku przez George’a Biddella Airy’ego, który wyjaśnił, że istnieje zależność między siłą kolorów tęczy a wielkością kropli wody. Współczesne fizyczne opisy tęczy oparte są na rozpraszaniu Mie, opublikowanym przez Gustava Mie w 1908 roku. Postępy w metodach obliczeniowych i teorii optycznej wciąż prowadzą do pełniejszego zrozumienia tęczy. Na przykład Nussenzveig przedstawia współczesny przegląd.
.