特定の結晶材料などを通した像が2重に見える現象で、光の偏光方向（電場の振動方向）によって材料の屈折率が異なっていると解釈される。方解石や水晶などの結晶材料や高分子材料に見られる。複屈折性を持つ材料には光学軸と呼ばれる特定の方向があり、この向きに進む光に対しては振動方向によらず屈折率は同一である。
しかし、光学軸からずれた方向に進む光に対しては、光の偏光方向により光学軸に進む光と屈折率が同じ光（常光線: 光学軸に垂直な偏光状態）と異なる光（異常光線: 光学軸に平行な偏光状態）がある。
この結果、両者は結晶に入射する光の屈折角が異なるために、2重の像が見られる。異常光線に対する屈折率が、常光線に対する屈折率より大きい材料と小さい材料があり、それぞれ、正号結晶（水晶）と負号結晶（方解石、サファイア）と呼ばれる。複屈折材料は、偏光を測定するための各種光学素子などに用いられる。波長板、偏光子、ウォラストンプリズムも参照。