首先光不一定是沿直線傳播的，光在同種均勻介質中沿直線傳播。這時麥克斯韋方程組中的自由電荷密度與電流密度為0，介電係數與磁導率為常數。此時麥克斯韋方程組寫為：

∇ • E = 0

∇ × E = - dB / dt

∇ • B = 0

∇ × H = dD / dt

其中 D = εE, B = μH.

對2式取散度得：

∇ × (∇ × E) = - d(∇ × B) / dt

左邊 = ∇(∇ • E) - ∇^2 E = - ∇^2 E（應用1式，第一項等於0）；

右邊 = - d(∇ × μH) / dt = - μ d^2 D / dt^2 = - με d^2 E / dt^2.

於是得到：

∇^2 E - (1/c^2) d^2 E / dt^2 = 0

其中 c = 1 / sqrt(με) 是介質中的光速。

這個方程是波動方程，有單色平面波解：

E = E0 exp(ik•r - iωt)

其中 |k| = 2π/λ 是波矢（k和r都是向量），λ是波長；ω = 2π f，f是頻率；ω = c |k|.

單色平面波的頻率和波矢都是固定的，其傳播滿足 E(r0, t0) = E(r0 + vt, t0 + t)，v是光速沿k方向的向量。也就是說，單色平面波是沿著固定的方向傳播的。這就是光的直線傳播。

在均勻介質中，任意的光場都可以分解為單色平面波的疊加。沿一個方向走過足夠遠的距離後，只剩下這個方向的平面波分量，它是沿直線傳播的，因而我們總是可以觀察到光沿直線傳播。

你手上有沒有那種鐳射小手電？如果有你在晚上就可以做下面這個實驗來證明光是沿直線傳播的。 方法如下：在房間的桌子上繃直一根細線。把激手電放線上的一頭，點亮發出鐳射，讓鐳射沿線的方向射出。然後，你把燈關上，你就看到一個細細的光沿著細線“前進”。 怎麼你看不到光，那是因為你的房間太乾淨了。沒有灰塵。那就用點燃一些香，讓煙充滿房間就行了。 上面這個實驗有些限制。那麼下面這個實驗一定會讓你更方便證明光是沿直線傳播的。 在桌子上平攤一張紙。用筆在紙上畫一根直線。然後你用鐳射手電沿線去照。看看結果。