Quand la température d'une couche d'air est supérieure à celle de la couche sous-jacente, deux images peuvent apparaître pour un objet situé dans la couche inférieure : l'une en trajet direct, c'est-à-dire le trajet habituel de la lumière pour une image droite, et l'autre, inversée, au-dessus. On peut visualiser la situation en considérant que le trajet suivi par la lumière, issue d'un point dans la couche de température inférieure, se produit comme si une réflexion totale avait lieu sur le dioptre qui sépare les deux couches pour un angle d'incidence supérieur à l'angle d'incidence minimal présenté dans les figures 1 et 2 de la page de présentation de la réfraction.

Concrètement, pour une montagne située en M, le mirage supérieur observé en O présente la figure caractéristique d'un plateau avec le sommet dupliqué à l'envers au-dessus de l'image droite de la montagne. Le mirage supérieur est beaucoup moins fréquent que le mirage inférieur.

Mais, bien sûr, la situation réelle est plus complexe que ce schéma :
- la rotondité de la Terre doit être prise en compte, spécialement quand l'objet lointain est distant de plusieurs kilomètres ;
- il n'y a pas véritablement de surface de contact aussi bien délimitée entre les couches de température inférieure et supérieure qu'entre l'eau et l'air de la page de présentation de la réfraction ; il faut plutôt considérer qu'il y a continuité avec un changement rapide au lieu d'une rupture nette entre les deux niveaux de température. Donc pas de réflexion totale comme dans un miroir mais un effet plus progressif avec de multiples petites réfractions.

De plus, des configurations plus complexes peuvent survenir et produire plusieurs images supérieures droites et inversées, ou des étirements verticaux très importants.