A maneira pela qual os camaleões mudam de cor é semelhante à maneira como a mistura de cores diferentes de tinta cria novas cores. Em geral, os camaleões mudam de cor usando cromatóforos e melanina. Cromatóforos são células que contêm pigmento ou cor; essas células têm duas camadas, com a camada superior contendo pigmento vermelho ou amarelo e a camada inferior contendo pigmento azul ou branco. A melanina, por outro lado, é essencialmente uma substância que determina a escuridão da cor da pele, com a presença de mais melanina causando a pele mais escura. Quando o sistema nervoso autônomo (ANS), uma parte do sistema nervoso que controla as funções involuntárias do corpo, diz às células para expandir ou encolher, as diferentes cores se misturam da mesma forma que a tinta e mudam a cor da pele de um camaleão.
Embora os camaleões tenham a capacidade de alterar as cores, algumas espécies têm limites no intervalo de cores que podem exibir. O mesmo vale para a variedade de padrões que eles também podem exibir. Em geral, a maioria dos camaleões pode mudar entre as cores verde, preto e marrom. Alguns camaleões também podem mudar para uma variedade de outras cores, com as mudanças de cores mais vibrantes geralmente aparecendo nos machos quando estão parecendo e prontos para acasalar.
Embora o objetivo de alguns padrões seja ajudar os camaleões a se misturarem com o ambiente, é um equívoco muito comum que os camaleões mudem de cor para camuflar. Esse equívoco é compreensível, uma vez que os camaleões podem mudar de cor e se parecer muito com o ambiente. Por exemplo, um camaleão com certos padrões e cores pode se misturar muito bem com um galho. Na realidade, porém, os camaleões mudam de cor em reação a fatores ambientais como luz e temperatura, bem como em reação a emoções ou humor. A capacidade de mudar de cor permite que os camaleões se adaptem ao ambiente e se tornem mais confortáveis e também os ajudam a se comunicar.
Os camaleões mudam de cor para refletir ou absorver luz e temperatura. Quando deitado sob o sol quente, por exemplo, os camaleões podem mudar para uma cor mais clara para refletir o brilho do sol. Quanto à temperatura, quando está frio, os camaleões podem ficar com cores mais escuras para absorver o máximo de calor possível. Em geral, porém, na maioria das vezes as mudanças de cor ocorrem devido a mudanças de humor. Assim, quando os camaleões mudam de cor, podem estar fazendo isso porque estão expressando suas emoções, como raiva ou medo.