För en randvinkel och en medelpunktsvinkel som spänner upp samma cirkelbåge ger randvinkelsatsen att sambandet mellan dem är $u=2v.$

För att bevisa randvinkelsatsen delar man upp den i tre olika fall som bevisas separat.

Det första fallet inträffar när ett av vinkelbenen till randvinkeln går igenom medelpunkten, vilket gör att det går genom ett av vinkelbenen till medelpunktsvinkeln. Detta innebär också att det vinkelbenet utgör en diameter i cirkeln.

Triangeln som skapas är likbent eftersom två av benen är radier. Det betyder att basvinklarna är lika stora. Yttervinkelsatsen ger

I det andra fallet skär inte något av randvinkelns vinkelben något ben till medelpunktsvinkeln.

För att visa randvinkelsatsen för den här situationen ritar man in en diameter från randvinkeln som delar både den och medelpunktsvinkeln i två delvinklar.

Ser man den inlagda diametern som ett vinkelben både till randvinkeln och medelpunktsvinkeln kan man nu tolka denna nya figur som två exempel av fall 1. Beviset därifrån ger då att Den ursprungliga medelpunktsvinkeln $u$ är summan av $u_1$ och $u_2$ och på samma sätt är $v=v_1+v_2$. Detta används för att ta fram ett uttryck för $u.$

Det sista fallet som behöver undersökas är när ett av randvinkelns vinkelben skär ett av medelpunktsvinkelns ben.

På samma sätt som i förra fallet ritas en diameter in från randvinkeln. Denna gång delar den dock inte vinklarna, utan skapar nya rand- och medelpunktsvinklar, varav ett par är större än de ursprungliga.

Sambandet från fall 1 kan nu användas igen: Vinkeln $v_1$(blå) kan nu skrivas som summan av $v_2$(röd) och randvinkeln $v$ (grön), dvs. $v_1=v+v_2,$ vilket betyder att $v=v_1-v_2.$ På samma sätt är $u=u_1-u_2.$ Detta används för att bevisa randvinkelsatsen även för detta fall.

Randvinkelsatsen gäller alltså för alla tre fall.