Gdy światło przechodzi z ośrodka gęstszego optycznie do rzadszego (np. z wody do powietrza), kąt załamania jest większy od kąta padania. Przy pewnym kącie granicznym kąt załamania osiąga $90^\circ$. Powyżej tego kąta światło nie wychodzi z ośrodka — całkowicie odbija się od granicy z powrotem do wnętrza. To całkowite wewnętrzne odbicie.

Światłowód to cienkie włókno szklane. Światło wprowadzone do niego pada na ścianki pod kątem większym od granicznego, więc ulega całkowitemu wewnętrznemu odbiciu — nie wychodzi na zewnątrz, lecz odbija się wielokrotnie i biegnie wzdłuż włókna, nawet gdy jest ono zgięte. Dzięki temu światłowody przesyłają sygnały (dane, obraz) na duże odległości z małymi stratami.

Całkowite wewnętrzne odbicie zachodzi tylko przy przejściu z ośrodka gęstszego do rzadszego. Przy przejściu z powietrza (rzadszego) do wody (gęstszego) światło zawsze się załamuje i wnika do wody — kąt załamania jest mniejszy od kąta padania, więc nie ma kąta granicznego i zjawisko nie występuje.