Hay dos tipos de espejismos: inferiores y superiores. Los espejismos son causados por la refracción de la luz, que es la curvatura de las ondas de luz. La refracción ocurre cuando la luz atraviesa un tipo de material hacia otro. Por ejemplo, puede atravesar el aire y entrar en el agua. La luz también puede refractarse cuando pasa a través de un área de aire caliente a un área de aire más frío porque el aire frío tiene una densidad más alta que el aire caliente.
En un espejismo inferior, que es el tipo más común, un objeto parece estar presente como si fuera tanto el objeto real como su reflejo en un charco de agua. Cuando el suelo está muy caliente, el calor se irradia desde el suelo y calienta el aire directamente sobre él. Cuando la luz pasa a través del aire más frío de arriba hacia el aire más cálido de abajo, se dobla y crea un espejismo. El espejismo parece un objeto que se refleja en el agua porque parte de la luz normalmente iría al suelo, pero se dobla y sube hasta los ojos, creando una imagen doble. Los espejismos inferiores se ven comúnmente en carreteras pavimentadas durante los días calurosos y, a menudo, parecen charcos de agua en la superficie de la carretera. Este es el espejismo en el desierto, el escenario más frecuentemente asociado con los espejismos.
Un espejismo superior aparece sobre el horizonte porque una masa de aire frío está debajo de una masa de aire caliente. Suele aparecer sobre hielo o agua muy fría. En este tipo de espejismo, el objeto parece estar mucho más alto de lo lógico. Ejemplos de este tipo que suelen ver los marineros son imágenes de islas flotantes y masas de tierra donde no las hay. Los espejismos superiores se ven con mayor frecuencia en las regiones polares debido a las grandes cantidades de hielo y agua muy fría.
Los espejismos superiores son visibles a largas distancias porque la Tierra es redonda. Si la Tierra fuera plana, la luz que se inclina hacia abajo llegaría al suelo muy cerca del lugar en el que se inclinó la luz, y el espejismo sería visible solo a una distancia muy cercana. Un ejemplo interesante de esto ocurrió en 1596, cuando un barco que buscaba el Pasaje del Noroeste quedó atrapado en el hielo en el extremo norte del Océano Atlántico y la tripulación tuvo que permanecer allí durante todo el invierno. Dado que la luz del sol se refractaba en una curva siguiendo la curvatura de la Tierra, la tripulación vio la luz del sol dos semanas antes del final real de la larguísima noche de pleno invierno.