大气折射是光通过空气时因为密度的增加使速度降低（折射率增加）。大气折射在近地面时会产生海市蜃楼，让远方的物体出现或荡漾，和非幻觉的升高或降低，伸长或缩短。这个词也适用于声音的折射。
它对雷达定位、多普勒测速、通信、导航都有影响，因此无论是天体或地面上物体位置的测量都需要考虑大气折射。当无线电波在不均匀介质中传播且其内部反射可忽略时，可以用几何光学近似方法对其进行研究。
把这一定律推广到折射率随高度连续变化的大气中来，假设大气为球面分层，折射率仅随高度变化，把大气分为一层层同心球层，各层折射率是常数，光在各层中沿直线传播，而在各界面发生折射（如名片图），则可得出在这种球面分层大气中的射线轨迹方程：
由于大气折射指数分布不同，射线在空间各处弯曲的方向和程度也有所不同，其主要考虑天顶距、气温、气压、湿度等因素的影响。按射线
曲率半径（弯向地面为正，背向地面为负）与地球半径之比的大小，可以将大气折射分为几种类型（如图）：
折射率随高度增加，使射线弯离地面。形成负折射的条件是大气中湿度随高度增加，或温度递减率大于干绝热递减率，当冷空气移到暖洋面上就可能形成这种条件。负折射对通信不利，它使电磁波传播的极限距离减小。
大气为
均质大气。即各层折射率不随高度产生变化，这时射线不弯曲，其曲率半径无限大。
发生在温度递减稍大于
标准大气，而湿度递减稍小于标准大气的情形。通常在阴云天出现。在这种折射类型下，无线电的传输距离较标准大气时要小一些。
发生在温度递减略小于标准大气，而湿度递减略大于标准大气的情形。在一般的温湿分布下，当大气出现
逆温，就可以出现过折射。过折射使电波的传输距离加大。
发生在温度递减远弱于标准大气，而湿度递减远大于标准大气的情形。一般出现在有逆温或湿度随高度迅速递减的场合。在超折射的情况下，电波的传播距离可以大大增加，因为这时电波沿地面的传播好像是在波导中传播一样（
大气波导）。