No contexto das aparições de Nossa Senhora em Fátima, são pouco conhecidos um grande número de fenômenos físicos que foram compartilhados por numerosas testemunhas destes eventos. Assim, não apenas os videntes, mas muitas outras pessoas, presentes ou mesmo algo distantes dos locais das aparições, puderam perceber ou sentir os sinais extraordinários da manifestação singular da presença sobrenatural da Mãe de Deus em Fátima. E estas testemunhas foram muitas: cerca de 50 na segunda aparição, entre 3000 e 4000 na terceira, umas 20.000 na quarta, 25000 a 30.000 na quinta e cerca de 70.000 na última aparição, quando ocorreu o sinal visível mais portentoso e extraordinário de todos, conhecido como o milagre do sol.
Estes sinais exteriores foram muitos, dentre eles os seguintes:
(i) relâmpagos e trovões, mesmo com céu limpo: os relâmpagos antecediam as aparições; os trovões ocorriam no momento preciso da aparição ou no seu termo, e pareciam provir da azinheira;
(ii) curvatura dos galhos da azinheira, como afetado por um peso e um manto que a cobria, de forma a empurrar e inclinar todas as folhas numa mesma direção (segunda aparição);
(iii) exalação de um perfume novo e desconhecido, com origem no arbusto da azinheira, sentido pela senhora Maria Rosa e demais presentes próximos, durante a quarta aparição;
(iv) aparição de um globo luminoso e iridiscente no céu, deslocando-se ordenadamente no sentido de leste para oeste e depois projetando-se em descida suave, até tocar a azinheira (quinta aparição);
(v) presença de uma nuvem branca, às vezes matizada, de aspecto singular, envolvendo a azinheira e os videntes como uma névoa e fluindo em sentido ascendente até cerca de cinco ou seis metros de altura até desvanecer, repetindo-se o processo por três vezes bem distintas (quinta aparição);
(vi) chuva evanescente de pétalas de rosas brancas, aparecendo e desaparecendo em sequência contínua, deslizando suavemente no ar e que tendiam a ficar cada vez menores à medida que se aproximavam do chão, quando se desvaneciam por completo (quinta aparição);
(vii) diminuição visível e significativa da luz solar (em pleno meio dia, com céu limpo e sem eclipses), tornando também visíveis a lua e as estrelas (segunda até a quinta aparições);
(vii) milagre do sol, que, segundo os testemunhos, constou de três fases bem distintas: primeiro, o sol tornou-se opaco e em tons rosados, passível de visualização direta e continuada sem quaisquer dificuldades; em seguida, passou a cintilar com irradiações de cores diversas, com movimentos de rotação intensa e emitindo feixes irisados e irradiados pelo céu, como explosões de fogos-de-artifício; por último, apresentou um movimento vertiginoso do disco solar, em grau crescente e simulando precipitar-se contra a terra, apresentando, a seguir, movimentos de translação lineares ou irregulares por todo o espaço celeste.
