Klassinen kreikkalainen oppinut Aristoteles (384-322 eaa.) kiinnitti ensimmäisenä vakavaa huomiota sateenkaariin. Raymond L. Leen ja Alistair B. Fraser: ”Huolimatta monista puutteistaan ja pythagoraaniseen numerologiaan vetoamisesta Aristoteleen laadullinen selitys osoitti kekseliäisyyttä ja suhteellista johdonmukaisuutta, joka oli vertaansa vailla vuosisatojen ajan. Aristoteleen kuoleman jälkeen suuri osa sateenkaariteoriasta koostui reaktioista hänen työhönsä, vaikkei se kaikki ollutkaan kritiikitöntä.”
Roomalainen filosofi Seneca nuorempi käsittelee Naturales Quaestiones -teoksensa (n. 65 jKr.) ensimmäisessä kirjassa I pitkään erilaisia sateenkaarenmuodostusta koskevia teorioita, mukaan lukien Aristoteleen teorioita. Hän toteaa, että sateenkaaret näkyvät aina aurinkoa vastapäätä, että ne näkyvät vedessä, jota soutaja suihkuttaa, vedessä, jota vispilä sylkee pihdeillä pingotettujen vaatteiden päälle, tai vedessä, jota suihkutetaan pienestä reiästä puhjenneessa putkessa. Hän puhui jopa sateenkaarista, joita pienet lasisauvat (virgulae) tuottivat, ennakoiden Newtonin prismakokeita. Hänellä oli mielessään kaksi teoriaa: toinen oli, että sateenkaari syntyi auringon heijastuessa jokaisesta vesipisarasta, ja toinen, että se syntyi auringon heijastuessa pilvestä koveran peilin muodossa; hän kannatti jälkimmäistä teoriaa. Hän käsitteli myös muita sateenkaareen liittyviä ilmiöitä: salaperäisiä ”virgoja” (sauvoja), haloja ja parhelioita.
Hüseyin Gazi Topdemirin mukaan arabialainen fyysikko ja moniottelija Ibn al-Haytham (Alhazen; 965-1039) yritti antaa tieteellisen selityksen sateenkaari-ilmiölle. Kirjassaan Maqala fi al-Hala wa Qaws Quzah , al-Haytham ”selitti sateenkaaren muodostumisen kuvaksi, joka muodostuu koverassa peilissä”. Jos kauempana olevasta valonlähteestä tulevat valonsäteet heijastuvat mihin tahansa pisteeseen koveran peilin akselilla, ne muodostavat kyseisessä pisteessä samankeskisiä ympyröitä. Kun aurinko oletetaan edelleen valonlähteeksi, katsojan silmä peilin akselilla olevaksi pisteeksi ja pilvi heijastavaksi pinnaksi, voidaan havaita, että akselille muodostuu samankeskisiä ympyröitä”. Hän ei pystynyt todentamaan tätä, koska hänen teoriansa, jonka mukaan ”auringonvalo heijastuu pilvestä ennen kuin se saavuttaa silmän”, ei mahdollistanut mahdollista kokeellista todentamista. Averroes toisti tämän selityksen, ja vaikka se olikin virheellinen, se muodosti perustan oikeille selityksille, jotka myöhemmin antoivat Kamāl al-Dīn al-Fārisī vuonna 1309 ja itsenäisesti Freibergin Theodoric (n. 1250 – n. 1311) – jotka molemmat olivat opiskelleet al-Haythamin Optiikan kirjaa.
Ibn al-Haythamin aikalainen, persialainen filosofi ja oppinut Ibn Sīnā (Avicenna, 980-1037), esitti vaihtoehtoisen selityksen: ”että kaari ei muodostu pimeässä pilvessä vaan pikemminkin hyvin hienossa sumussa, joka on pilven ja auringon tai havaitsijan välissä. Hän ajatteli, että pilvi toimii vain taustana tälle ohuelle aineelle, aivan kuten silloin, kun peilin lasin takapinnalle asetetaan elohopeapinnoite. Ibn Sīnā siirtäisi paitsi kaaren myös värin muodostumisen paikkaa ja katsoi, että irisointi on yksinkertaisesti subjektiivinen tunne silmässä.” Tämäkin selitys oli kuitenkin virheellinen. Ibn Sīnā hyväksyi monet Aristoteleen sateenkaaria koskevista väitteistä.
Song-dynastian aikaisessa Kiinassa (960-1279) monitieteilijä ja oppinut virkamies nimeltä Shen Kuo (1031-1095) esitti hypoteesin, jonka mukaan sateenkaaret muodostuvat auringonvalon ja ilmassa olevien sadepisaroiden kohtaamisesta. Paul Dong huomauttaa, että Shenin selitys sateenkaaresta ilmakehän taittumisilmiönä ”on pohjimmiltaan nykyaikaisten tieteellisten periaatteiden mukainen”.
Nader El-Bizrin mukaan persialainen tähtitieteilijä Qutb al-Din al-Shirazi (1236-1311) antoi melko tarkan selityksen sateenkaari-ilmiöstä. Hänen oppilaansa Kamāl al-Dīn al-Fārisī (1267-1319) kehitti tätä ja antoi sateenkaarelle matemaattisesti tyydyttävämmän selityksen. ”Hän ehdotti mallia, jossa auringon valonsäde taittui kahdesti vesipisarassa, ja kahden taittumisen välillä tapahtui yksi tai useampi heijastus.” Kokeessa käytettiin vedellä täytettyä lasipalloa, ja al-Farisi osoitti, että lasin aiheuttamat ylimääräiset taittumat voitiin jättää huomiotta hänen mallissaan. Kuten hänen Kitab Tanqih al-Manazir -teoksessaan todetaan, al-Farisi käytti suurta läpinäkyvää, pallon muotoista lasiastiaa, joka oli täytetty vedellä, saadakseen suuren mittakaavan kokeellisen mallin sadepisarasta. Sitten hän asetti tämän mallin pimeään kammioon, jossa oli valvottu aukko, jotta valo pääsisi läpi. Hän heijasti valoa palloon ja päätteli lopulta erilaisten kokeiden ja valon heijastusten ja taittumisen yksityiskohtaisten havaintojen avulla, että sateenkaaren värit olivat valon hajoamisen ilmiöitä.
Euroopassa Ibn al-Haythamin Optiikan kirja käännettiin latinaksi, ja Robert Grosseteste tutki sitä. Hänen valoa koskevaa työtään jatkoi Roger Bacon, joka kirjoitti vuonna 1268 ilmestyneessä Opus Majus -teoksessaan kokeista, joissa valo loisti kiteiden ja vesipisaroiden läpi ja näytti sateenkaaren värit. Lisäksi Bacon oli ensimmäinen, joka laski sateenkaaren kulmakoon. Hän totesi, että sateenkaaren huippu voi näkyä korkeintaan 42° horisontin yläpuolella. Freibergin Theodoricin tiedetään vuonna 1307 antaneen tarkan teoreettisen selityksen sekä primaarisesta että sekundaarisesta sateenkaaresta (jota Deminin Antonius kehitti myöhemmin vuonna 1611). Hän selitti primäärisen sateenkaaren ja totesi, että ”kun auringonvalo osuu yksittäisiin kosteuspisaroihin, säteet taittuvat kahdesti (sisään ja ulos) ja heijastuvat (pisaran takaosassa) ennen kuin ne pääsevät havaitsijan silmään”. Hän selitti toissijaisen sateenkaaren samanlaisella analyysillä, johon kuuluu kaksi taittumista ja kaksi heijastumista.
René Descartes kehitti tätä selitystä edelleen vuonna 1637 ilmestyneessä teoksessaan Discourse on Method. Koska hän tiesi, että sadepisaroiden koko ei näyttänyt vaikuttavan havaittuun sateenkaareen, hän kokeili valonsäteiden kulkua vedellä täytetyn suuren lasipallon läpi. Mittaamalla säteiden kulmat hän päätteli, että ensisijainen kaari johtui yhdestä sisäisestä heijastuksesta sadepisaran sisällä ja että toissijainen kaari saattoi johtua kahdesta sisäisestä heijastuksesta. Hän tuki tätä päätelmäänsä johtamalla taittolain (Snellin lain jälkeen, mutta siitä riippumatta) ja laski oikein molempien kaarien kulmat. Hänen selityksensä väreistä perustui kuitenkin mekaaniseen versioon perinteisestä teoriasta, jonka mukaan värit syntyvät valkoisen valon muuntumisesta.
Isaac Newton osoitti, että valkoinen valo koostui kaikkien sateenkaaren värien valosta, jonka lasiprisma pystyi erottamaan täydeksi värispektriksi – valkoisen valon hajoaminen – ja hylkäsi teorian, jonka mukaan värit syntyvät valkoisen valon muuntumisesta. Hän osoitti myös, että punainen valo taittuu vähemmän kuin sininen valo, mikä johti ensimmäiseen tieteelliseen selitykseen sateenkaaren pääpiirteistä. Newtonin korpuskulaarinen valoteoria ei kyennyt selittämään ylimääräisiä sateenkaaria, joille ei löytynyt tyydyttävää selitystä ennen kuin Thomas Young tajusi, että valo käyttäytyi tietyissä olosuhteissa kuin aalto ja saattoi interferoida itsensä kanssa.
Youngin työtä, jota Richard Potter myöhemmin kehitti yksityiskohtaisesti, tarkensi 1820-luvulla George Biddell Airy, joka selitti sateenkaaren värien voimakkuuden ja vesipisaroiden koon välisen riippuvuuden. Nykyaikaiset fysikaaliset kuvaukset sateenkaarista perustuvat Mie-sirontaan, jonka Gustav Mie julkaisi vuonna 1908. Laskentamenetelmien ja optisen teorian kehittyminen johtaa yhä täydellisempään ymmärrykseen sateenkaarista. Esimerkiksi Nussenzveig tarjoaa nykyaikaisen katsauksen.
.