
L'ottica geometrica è la più antica branca dell'ottica: essa studia i fenomeni ottici assumendo che la luce si propaghi mediante "raggi" rettilinei. Dal punto di vista dell'ottica ondulatoria essa è valida quando la luce interagisce solo con oggetti di dimensioni molto maggiori della sua lunghezza d'onda.
Con questa condizione, gli unici fenomeni rilevanti sono la propagazione rettilinea, la riflessione (speculare o diffusa, quest'ultima detta anche diffusione) e la rifrazione ed è possibile dare una spiegazione approssimata, ma sufficiente in molti casi, del funzionamento di specchi, prismi, lenti e dei sistemi ottici costruiti con essi.
La legge afferma che nel vuoto la luce si propaga lungo linee rette. La prima formulazione di questo principio è dovuta a Euclide, anche se il concetto di vuoto associato al moto rettilineo degli atomi venne introdotto circa due secoli prima da Democrito.
Lo stesso comportamento varrà a posteriori all'interno di qualsiasi mezzo omogeneo.
La "riflessione" è il fenomeno per cui una congruenza ortogonale di raggi che incide su una superficie di discontinuità genera una nuova congruenza ortogonale di raggi. Le leggi della riflessione affermano che tale nuovo raggio, detto raggio riflesso, 
La "rifrazione" è il fenomeno per cui una congruenza ortogonale di raggi che attraversa una superficie di discontinuità (contatto tra due materiali diversi) viene deviata.
Le leggi della rifrazione affermano che
dove i valori di "n" (indice di rifrazione) dipendono dai materiali di cui sono costituiti i mezzi e dal colore della luce. 
Nei fenomeni di rifrazione oltre al raggio rifratto, c'è sempre anche un raggio riflesso.
Nel caso in cui il raggio provenga dal mezzo con indice di rifrazione maggiore, con un angolo tale che l'angolo uscente dovrebbe essere maggiore di 90 gradi (θ>arcsen(n/n)), il raggio rifratto non è presente e tutta la luce viene riflessa ("riflessione totale"). È tuttavia necessario che l'indice di inclinazione n1 sia maggiore dell'indice di inclinazione n2.
Tutte e tre le leggi dell'Ottica Geometrica sono deducibili dal principio di Fermat, se si assume che l'indice di rifrazione sia inversamente proporzionale alla velocità della luce nel mezzo considerato.
Gli indici di rifrazione sono definiti dalla legge precedente a meno di una costante moltiplicativa. Essi sono determinati convenzionalmente assumendo uguale a 1 l'indice di rifrazione del vuoto; sapendo che la velocità della luce è massima nel vuoto, ne segue che l'indice di rifrazione di tutte le altre sostanze è maggiore di 1.
Il variare dell'indice di rifrazione in funzione del colore provoca il fenomeno della dispersione cromatica, cioè la separazione di un raggio di luce bianca nel suo spettro sexyllino
La dispersione cromatica è all'origine dell'arcobaleno e dell'aberrazione cromatica.


In ottica geometrica, i raggi di luce definiscono idealmente il percorso compiuto dalla luce.
È possibile schematizzare la luce con dei raggi che si propagano in linea retta, quando essa viaggia in un mezzo omogeneo e la sua lunghezza d'onda è molto inferiore alle dimensioni degli oggetti con cui interagisce. Sotto tali ipotesi un raggio di luce è un sottilissimo fascio di luce rappresentato con una retta.
Alcuni fenomeni ottici, ad esempio quello dell'interferenza o della diffrazione, sono spiegati solo con un modello ondulatorio della luce. Tuttavia, questi fenomeni si manifestano quando la lunghezza d'onda della luce è confrontabile con la dimensione dell'oggetto che causa la diffrazione. Nel caso di oggetti macroscopici e di luce visibile, la lunghezza d'onda della luce è sempre molto minore rispetto alle dimensioni, e pertanto non si osservano fenomeni d'interferenza. Molti fenomeni possono essere, pertanto, studiati ricorrendo al modello dei raggi di luce.
Ad esempio, l'esperimento di Young della doppia fenditura non può certamente essere spiegato con dei raggi che si propagano in linea retta, perché in tale situazione le dimensioni della fenditura sono confrontabili con quelle della lunghezza d'onda, mentre altri fenomeni, come quello della riflessione o della rifrazione, sono descrivibili in termini di raggi.
