Sposób, w jaki kameleony zmieniają kolory, jest podobny do tego, jak mieszanie różnych kolorów farby tworzy nowe kolory. Ogólnie rzecz biorąc, kameleony zmieniają kolory za pomocą chromatoforów i melaniny. Chromatofory to komórki zawierające pigment lub kolor; komórki te mają dwie warstwy, przy czym górna warstwa zawiera czerwony lub żółty pigment, a dolna warstwa zawiera niebieski lub biały pigment. Z drugiej strony melanina jest zasadniczo substancją, która określa ciemność koloru skóry, przy czym obecność większej ilości melaniny powoduje ciemniejszy kolor skóry. Kiedy autonomiczny układ nerwowy (ANS), część układu nerwowego, która kontroluje mimowolne funkcje organizmu, nakazuje komórkom rozszerzać się lub kurczyć, różne kolory mieszają się ze sobą podobnie jak farba i zmieniają kolor skóry kameleona.
Chociaż kameleony mają zdolność zmiany kolorów, niektóre gatunki mają ograniczenia w zakresie kolorów, które mogą wyświetlać. To samo dotyczy zakresu wzorów, które mogą wyświetlać. Ogólnie rzecz biorąc, większość kameleonów potrafi zmieniać kolory między zielonym, czarnym i brązowym. Niektóre kameleony mogą również zmieniać się w szereg innych kolorów, przy czym najbardziej żywe zmiany kolorów pojawiają się zwykle u samców, gdy wyglądają i są gotowe do kopulacji.
Podczas gdy celem niektórych wzorów jest pomoc kameleonom wtopieniu się w otoczenie, bardzo powszechnym błędem jest to, że kameleony zmieniają kolory w celu kamuflażu. To błędne przekonanie jest zrozumiałe, ponieważ kameleony mogą zmieniać kolory i bardzo przypominać swoje otoczenie. Na przykład kameleon o określonych wzorach i kolorach może bardzo dobrze komponować się z gałązką. W rzeczywistości jednak kameleony zmieniają kolory w reakcji na takie czynniki środowiskowe, jak światło i temperatura, a także w reakcji na swoje emocje czy nastroje. Możliwość zmiany kolorów pozwala kameleonom dostosować się do otoczenia i stać się bardziej komfortowym, a także pomaga im komunikować się ze sobą.
Kameleony zmieniają kolory, aby odbijać lub pochłaniać światło i temperaturę. Na przykład podczas leżenia w gorącym słońcu kameleony mogą zmienić kolor na jaśniejszy, aby odzwierciedlić jasność słońca. Jeśli chodzi o temperaturę, gdy jest zimno, kameleony mogą stać się ciemniejsze, aby mogły pochłaniać jak najwięcej ciepła. Ogólnie rzecz biorąc, w większości przypadków zmiany kolorów następują z powodu zmian nastroju. W związku z tym, kiedy kameleony zmieniają kolory, mogą to robić, ponieważ wyrażają swoje emocje, takie jak gniew lub strach.