Lorsque la taille des particules est de l'ordre de grandeur ou plus grande que la longueur d'onde du rayonnement, la diffusion de Rayleigh ne se produit plus et laisse la place à la diffusion de Mie.
Les gouttelettes d'eau, les cristaux de glace, ou les aérosols présents dans l'atmosphère (poussières, fumées, pollens) sont les principaux vecteurs de la diffusion de Mie. Beaucoup moins sélective que la diffusion de Rayleigh, la diffusion de Mie est inversement proportionnelle à la longueur d'onde du rayonnement incident. Elle se produit plutôt dans les couches basses de l'atmosphère (qui contiennent plus d'aérosols) et donne à la couleur du ciel un aspect bleu délavé voire jaunâtre, toutes les longueurs d'onde étant diffusées de la même façon.

Illustration de la diffusion de Mie

Les poussières et polluants dans l'atmosphère au-dessus des grandes villes diffusent le rayonnement solaire à toutes les longueurs d'onde. Sur cette photo de la ville de Curitiba (Etat du Paraná au Brésil), on peut observer un nuage grisâtre du à la diffusion de Mie.