O fenômeno ocorre por conta da maneira em que a luz proveniente do sol interage com a atmosfera.

Similar ao fenômeno do arco-íris, a dispersão do azul é causada pela quebra da luz branca pela atmosfera que age como um prisma.

Quando olhamos a cor de algo, é porque este “algo” refletiu (ou dispersou) a luz de uma determinada cor(frequência) associada a um comprimento de onda. Uma folha verde, por exemplo, utiliza todas as cores para fazer a fotossíntese menos o verde, pois esta é refletido.

A luz azul tem uma frequência que é muito próximo da frequência natural dos átomos, ao contrário da luz vermelha. Logo a luz azul troca energia por meio de ressonância com os elétrons das camadas atômicas das moléculas com muito mais facilidade que a vermelha. Isso provoca um ligeiro atraso na luz azul que é reemitida em todas as direções num processo chamado dispersão de Rayleigh.

A luz vermelha é transmitida e continua em sua direção original, quando olhamos para o céu é a luz azul que vemos porque é a que foi mais dispersada pelas moléculas em todas as direções.

Então porque não vemos o céu violeta se a luz violeta tem comprimento de onda menor que a luz azul, e portanto dispersa-se mais? Porque não há suficiente luz ultravioleta. O sol produz muito mais luz azul que violeta.

Onde não há atmosfera (espaço interestelar), os raios do sol não sofrem dispersão, logo eles percorrem uma linha reta do sol até o observador. Os astronautas vêem um céu negro!

Em Júpiter ocorre um processo semelhante ao da Terra e lá observa-se um céu azul também. Já em Marte o céu é rosado, lá a atmosfera é poluída pela presença de óxidos de ferro oriundos do solo. Se fosse limpa, ela também seria azul.