La refracción de la luz es el cambio de dirección que experimenta un rayo de luz cuando pasa de un medio transparente a otro con distinto índice de refracción. Este cambio de dirección se produce porque la velocidad de propagación de la luz es diferente en cada medio: $v = c/n$, donde $n$ es el índice de refracción del medio.El fenómeno se describe cuantitativamente mediante la Ley de Snell:

donde $n_1$ y $n_2$ son los índices de refracción de los medios 1 y 2, y $\theta_1$ y $\theta_2$ son los ángulos que forman el rayo incidente y el rayo refractado con la normal a la superficie de separación, respectivamente.Si $n_2 > n_1$ (el rayo pasa a un medio más denso ópticamente), el rayo refractado se acerca a la normal ($\theta_2 < \theta_1$). Si $n_2 < n_1$ (el rayo pasa a un medio menos denso), el rayo refractado se aleja de la normal ($\theta_2 > \theta_1$).

El ángulo límite (también llamado ángulo crítico, $\theta_c$) es el ángulo de incidencia, medido desde la normal, para el cual el rayo refractado forma exactamente $90^\circ$ con la normal, es decir, sale rasante a la superficie de separación entre los dos medios.Aplicando la Ley de Snell con $\theta_2 = 90^\circ$:

Para que pueda definirse el ángulo límite y ocurra la reflexión total interna deben cumplirse dos condiciones:

En el diagrama se muestra la situación del ángulo límite: el rayo procede del medio más denso (vidrio) y el rayo refractado sale rasante a la interfaz ($\theta_2 = 90^\circ$). Para ángulos de incidencia superiores a $\theta_c$, no hay rayo refractado y se produce reflexión total interna, principio en el que se basan aplicaciones como las fibras ópticas.