Ada dua jenis fatamorgana: inferior dan superior. Fatamorgana disebabkan oleh pembiasan cahaya, yaitu pembelokan gelombang cahaya. Pembiasan terjadi ketika cahaya melewati satu jenis bahan ke bahan lainnya. Misalnya mungkin melewati udara dan masuk ke air. Cahaya juga dapat dibiaskan ketika melewati area udara hangat ke area udara lebih dingin karena udara dingin memiliki kerapatan yang lebih tinggi daripada udara hangat.
Dalam fatamorgana inferior, yang merupakan jenis yang paling umum, sebuah objek tampaknya hadir seolah-olah itu adalah objek yang sebenarnya dan pantulannya di genangan air. Ketika tanah sangat panas, panas memancar keluar dari tanah dan menghangatkan udara langsung di atasnya. Ketika cahaya melewati udara yang lebih dingin di atas ke udara yang lebih hangat di bawah, cahaya itu akan membelok dan menciptakan fatamorgana. Fatamorgana terlihat seperti benda yang dipantulkan dalam air karena sebagian cahaya biasanya jatuh ke tanah, tetapi ditekuk dan naik ke mata Anda, menciptakan bayangan ganda. Fatamorgana inferior biasanya terlihat di jalan beraspal selama hari-hari panas, dan sering terlihat seperti genangan air di permukaan jalan. Ini adalah fatamorgana di gurun — skenario yang paling sering dikaitkan dengan fatamorgana.
Sebuah fatamorgana superior muncul di atas cakrawala karena massa udara dingin di bawah massa udara hangat. Biasanya muncul di atas es atau air yang sangat dingin. Dalam jenis fatamorgana ini, objek tampak jauh lebih tinggi daripada yang logis. Contoh jenis ini yang biasa dilihat oleh pelaut adalah gambar pulau terapung dan daratan yang sebenarnya tidak ada. Fatamorgana superior paling sering terlihat di daerah kutub karena banyaknya es dan air yang sangat dingin.
Fatamorgana superior terlihat dari jarak jauh karena Bumi itu bulat. Jika Bumi itu datar, cahaya yang dibelokkan ke bawah akan mencapai tanah yang sangat dekat dengan tempat di mana cahaya itu dibelokkan, dan fatamorgana hanya akan terlihat pada jarak yang sangat dekat. Contoh menarik dari hal ini terjadi pada tahun 1596, ketika sebuah kapal yang mencari Jalur Barat Laut terjebak dalam es jauh di utara di Samudra Atlantik dan awaknya harus tinggal di sana sepanjang musim dingin. Karena cahaya matahari dibiaskan dalam kurva mengikuti kelengkungan Bumi, para kru melihat cahaya matahari dua minggu sebelum akhir sebenarnya dari malam pertengahan musim dingin yang sangat panjang.