太陽からの光（可視光線）は地上に届くまでに、大気の成分である酸素や窒素などの気体分子や微粒子などを通過するとき散乱を受ける。空の色に関係するのは気体分子による散乱で、粒子の半径よりも可視光線の波長のほうが数桁大きいためレイリー散乱が生じる。
レイリー散乱は波長が短いほど強く、波長の短い青い光が強く散乱されることが主な理由となって、太陽が上方にある日中の空は青く見える（空#色と明るさ参照）。
夕方になると太陽の光は大気を斜めに通過する。大気中をより長い距離通過するため、また水滴やちりが多い大気の下層を通過するため、波長が短い青や緑の光は減衰し、波長が長い橙（オレンジ）や赤の光が多く地上まで届く。朝も同様で、この逆の変化をする。
夕焼け・朝焼けにより雲もオレンジや赤に色づいて見える。巻雲や高層雲など高い雲のほうが鮮明な色になりやすい。低い雲ほど光が減衰するため暗い色味になるが、大気が清浄な地域では低い雲も鮮やかに色づいて見える傾向がある。
なお、火星においては大気による短波長の散乱よりちりによる長波長の散乱が卓越するため、ピンクの空と青い夕焼けが見られる。
微粒子増加による変化.
大気にちりや煙霧などの微粒子（エアロゾル）が多いとき、夕焼けや朝焼けはピンク色や黄色に変わることがある。微粒子の大きさが均一のときに特定の色が生じやすい。次第に減衰するためこのような色味は地上では暗く、上空で航空機などから見ると鮮やかになる。
火山噴火による鮮やかな夕焼けは、成層圏にまで達したちりや硫酸塩成分が原因である。地平線に近い遠くの空に現れるが、太陽が出ているときにはほとんど見えず、太陽が地平線下の薄暮になってから色が最も濃くなる特徴がある。また、同時に対流圏に大量の微粒子が浮遊することで、地上の夕焼けはベールがかかったように薄暗く色もくすんで見える傾向がある。
夕焼けに関する諸現象.
アーベントロート.
観天望気.