Un second type de mirage peut être observé : les mirages supérieurs. Leur mécanisme est le même que celui des mirages inférieurs, mais inversé. On les retrouve fréquemment dans les régions polaires ou en mer lorsque la température de l’eau est plus faible que celle de l’air.

En effet, ce type de mirage est observable lorsque les couches d’air près du sol sont plus froides que les couches d’air supérieures. Ainsi, l'air est plus dense près du sol et l'indice de réfraction y est plus élevé. Ces conditions entraînent la formation d’un gradient thermique positif et d’un gradient d’indice négatif, ce qui entraîne la courbure des rayons lumineux vers le bas.
C'est pourquoi l’observateur voit l’image de l’objet au dessus de sa position réelle. C’est l’origine du nom de « mirages supérieurs ».
Si le gradient thermique est plus important au dessus du sol, les rayons lumineux se retrouvent fortement déviés et l’objet se situe alors haut dans le ciel. Et si le gradient thermique augmente encore plus l’image est inversée et parfois elle se fond avec l’objet réel. A l’inverse si le phénomène n’est que peu développé, l’image inversée se trouve être réduite à une ligne horizontale. Ce que l’on voit alors correspond à la raie brillante de lumière du ciel. Quelque fois aussi c’est seulement le haut de l’objet qui apparaît plus haut que sa position réelle, l’objet nous apparaît alors déformé et agrandi.

Grâce aux mirages supérieurs, des objets qui devraient nous être invisibles à cause de la rotondité de la Terre nous apparaissent. On pourrait dire que l'on voit « au-delà de la ligne d'horizon ». Par exemple, on peut voir les Pyrénées depuis Marseille ou encore les côtes de la Corse depuis