Način, kako kameleoni spreminjajo barve, je podoben temu, kako mešanje različnih barv barve ustvarja nove barve. Na splošno kameleoni spreminjajo barve s pomočjo kromatoforov in melanina. Kromatofori so celice, ki vsebujejo pigment ali barvo; te celice imajo dve plasti, pri čemer zgornja plast vsebuje rdeči ali rumeni pigment, spodnja plast pa modri ali beli pigment. Po drugi strani je melanin v bistvu snov, ki določa temnost barve kože, prisotnost več melanina pa povzroča temnejšo kožo. Ko avtonomni živčni sistem (ANS), del živčnega sistema, ki nadzoruje nehotene funkcije telesa, celicam pove, naj se razširijo ali skrčijo, se različne barve mešajo podobno kot barve in spremenijo barvo kameleonove kože.
Čeprav imajo kameleoni možnost spreminjanja barv, imajo nekatere vrste omejitve glede obsega barv, ki jih lahko prikažejo. Enako velja za vrsto vzorcev, ki jih lahko prikažejo. Na splošno se večina kameleonov lahko spreminja med zelenimi, črnimi in rjavimi barvami. Nekateri kameleoni se lahko spremenijo tudi v vrsto drugih barv, pri čemer se najbolj živahne barvne spremembe običajno pojavijo pri samcih, ko iščejo in so pripravljeni na parjenje.
Medtem ko je namen nekaterih vzorcev pomagati kameleonom, da se zlijejo z okolico, je zelo pogosto napačno prepričanje, da kameleoni spreminjajo barve, da bi se prikrili. To napačno prepričanje je razumljivo, saj lahko kameleoni spreminjajo barve in so zelo podobni svoji okolici. Na primer, kameleon z določenimi vzorci in barvami se lahko zelo dobro zlije z vejo. V resnici pa kameleoni spreminjajo barve kot odziv na okoljske dejavnike, kot sta svetloba in temperatura, pa tudi kot odziv na svoja čustva ali razpoloženje. Sposobnost spreminjanja barv omogoča kameleonom, da se prilagodijo svoji okolici in postanejo bolj udobni ter jim pomaga tudi pri komunikaciji med seboj.
Kameleoni spreminjajo barve, da odbijajo ali absorbirajo svetlobo in temperaturo. Na primer, ko ležijo pod vročim soncem, se kameleoni lahko spremenijo v svetlejšo barvo, da odražajo svetlost sonca. Kar zadeva temperaturo, lahko kameleoni, ko je zunaj hladno, postanejo temnejši, da lahko absorbirajo čim več toplote. Na splošno pa se večino časa spremembe barve pojavijo zaradi sprememb razpoloženja. Ko kameleoni spremenijo barve, lahko to počnejo zato, ker izražajo svoja čustva, kot sta jeza ali strah.