Der Brockengespenst ist ein optischer Effekt der zuerst auf dem Brocken beoachte wurde: Wenn der Schatten des Beobachters auf eine Nebel oder Wolken-Schicht fällt, bildet keine Fläche diesen Schatten ab, sondern jeder Wassertropfen des Dunstes. Dadurch kann das Gehirn den Schatten nicht stereoskopisch sehen und überschätzt die Größe deutlich. Durch Luftbewegungen bewegt sich der Schatten, selbst wenn der Beobachter still steht. Dieses scheinbar eigene Wesen kann zudem schweben, ohne sichtbaren Kontakt zum Boden zu haben. Die anderen physikalischen Bedingungen auf dem Berg, Stille, kühle und feuchte Luft, sowie die fehlende Orientierung durch fehlenden Weitblick, fehlende Nachbarbarberge verstärken den subjektiven Eindruck der Existens eines Brockengespenstes.
Häufig tritt durch einen anderen, optischen Effekt, dem Glorie, zusätzlich ein farbiger Lichtkranz um den Schatten auf.
Auf dem Brocken sind häufig auch Helos zu beobachten, diese sind jedoch genau in 180° Grad entgegengestzt mit Blick in Richtung Sonne zu beobachten und daher in der Literatur manchmal fälschlicherweise zusammen mit dem Brockengeist erwähnt.
Der Effekt des Brockengespesnst ist auch auf anderen Bergen oder auch bei Nebel im Licht von Autoscheinwerfen zu beobachten, jedoch bietet hierzu der Brocken mit über 300 Nebeltage im Jahr eine überduchschnittliche Chance.