从物理原理来看，望远镜利用凸透镜和凹透镜组合，通过光线折射将远处物体的像放大。海市蜃楼是由于大气受热不均导致光发生全反射形成的虚像。既然摄像机可以拍摄到海市蜃楼，而望远镜成像原理与摄像头相似，那么用望远镜观看海市蜃楼，相当于拉近了物距，能看到更近、细节更多的蜃景，或者因焦点改变看到背后的景物。
用望远镜看海市蜃楼能看到什么
尽管望远镜能放大图像，但由于海市蜃楼所在区域的空气始终存在微弱对流和扰动，导致密度不断微小变化，因此即便用望远镜观察，蜃景的“虚像”也往往处于漂浮不定的状态。想通过望远镜大幅度提高分辨率来清晰捕捉蜃景中的细节是非常困难的，看到的画面可能依然带有晃动或模糊感。
如果用望远镜观察海市蜃楼，结果取决于望远镜的倍率和焦距调节。当望远镜倍数较低时，你感觉像是走近了海市蜃楼，能稍微看清一些细节，比如行人的走路场景，但仍然无法完全清晰地看到人和物体的全部细节，因为它本质上仍是虚幻的光学影像。
海市蜃楼的形成依赖于特定且相对稳定的大气结构，通常需要无风或风力微弱的条件。空气密度在垂直或水平方向出现异常时，光线穿过不同密度的空气层会发生折射甚至全反射。例如在沙漠中，下层空气受热密度变小，光线折射角大于入射角，形成倒立的下现蜃景；而在海边，下层空气冷密度大，可能形成正立的上现蜃景。
海市蜃楼本质上是一种由大气折射形成的光学现象，既不是仙境也不是平行宇宙投影。它类似于高温下柏油路面上方的扭曲空气，或者是刚出炉蒸笼冒出的蒸汽。在沙漠或海洋中，阳光照射导致空气上下层折射率不同，下层热空气密度小、上层冷空气密度大，这种密度差异引发了光线折射，使得原本在地平线下的景物出现在空中。
如果望远镜倍数过高或焦距拉过头，你将透过海市蜃楼的影像看到背后真实的景色。这就像你走得太近导致海市蜃楼消失一样，高倍放大可能会让你越过蜃景，直接观测到其后方原本被遮挡的真实背景，不过因为中间隔着密度不均匀的空气，看到的背景可能会有些飘忽不定。
海市蜃楼的表现形式多种多样，有的像城堡，有的像飞鸟、龙腾或奔马。这些形状的变化受到周围大气流动和密度分布的影响。如果朝着海市蜃楼用望远镜，你首先看到的是被放大的虚幻影像，由于气体受热不均形成的介质是不稳定的，透过它看到的景象会随着气流变化而显得飘渺，不像镜子中的像那样稳定清晰。
寻找海市蜃楼背后的真实景物并非难事，因为光线在大气中传播会衰减，海市蜃楼的真实源物体通常距离发生地不远。例如去年洪泽湖附近的海市蜃楼，其原景就在几十里外。但由于海市蜃楼是偶发事件，对当地没有持久吸引力，搜寻原景成本高且产出低，所以人们通常不特意去寻找。