Τα καροτενοειδή ανήκουν στην κατηγορία των οργανικών ενώσεων των τερπενοειδών και συγκεκριμένα στα τετρατερπενοειδή. Είναι φυτοχημικά, που απαντώνται σχεδόν αποκλειστικά στα φυτά και χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: καροτίνες χωρίς οξυγόνο και ξανθοφύλλες που περιέχουν οξυγόνο. Τα τερπενοειδή μπορούν να προκύψουν, τουλάχιστον θεωρητικά, με σύνδεση ή «πολυμερισμό» μορίων ισοπρενίου, CH2=C(CH3)CH=CH2. Οι τετρατερπενοειδή σκελετοί περιέχουν τέσσερις μονάδες τερπενίου 10 άνθρακα για συνολικά 40 άτομα άνθρακα. Περιορίζοντας τον ορισμό, η Διεθνής Ένωση Καθαρής και Εφαρμοσμένης Χημείας αναφέρεται στη δομή των καροτενοειδών ως εκείνα τα τετρατερπενοειδή που προέρχονται επίσημα από το άκυκλο μητρικό λυκοπένιο.
Στη δομή των καροτενοειδών, υπάρχουν ακριβώς 40 σκελετικοί άνθρακες, οι οποίοι θεωρητικά παράγονται με σύνδεση μονάδων ισοπρενίου και αποτελούνται μόνο από άνθρακα, υδρογόνο και πιθανώς οξυγόνο. Η δομή των καροτενοειδών περιλαμβάνει επίσης ένα συστατικό που ονομάζεται χρωμοφόρο, το οποίο είναι υπεύθυνο για το χρώμα του μορίου. Αυτές οι οργανικές ενώσεις είναι βιολογικά και διατροφικά σημαντικές και συνδέονται άρρηκτα με τη διαδικασία διατήρησης της ζωής της φωτοσύνθεσης.
Ο πολυμερισμός είναι δυνατός επειδή το ισοπρένιο έχει δύο διπλούς δεσμούς. Κάθε μόριο ισοπρενίου έχει πέντε άτομα άνθρακα, επομένως ο συνδυασμός δύο μορίων έχει ως αποτέλεσμα μια ενιαία αλυσίδα 10 ατόμων άνθρακα. Η ανάπτυξη μπορεί να συνεχιστεί πέρα από αυτό το μήκος, επειδή ο δεύτερος διπλός δεσμός για κάθε συμμετέχον μόριο παραμένει αχρησιμοποίητος. Υπάρχει μια μεγάλη ποικιλία από τερπενοειδή δομές που μπορούν να σχηματιστούν, επειδή το μόριο του ισοπρενίου δεν είναι συμμετρικό. Η ένωση μπορεί να γίνει από το κεφάλι με το κεφάλι, το κεφάλι με την ουρά ή την ουρά με την ουρά. Όσο μεγαλύτερη είναι η αλυσίδα, τόσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός των συνδυασμών.
Τα καροτενοειδή είναι μεταξύ των διατροφικά ευεργετικών τροφών που βρίσκονται στα φρούτα και τα λαχανικά. Μεταξύ των θρεπτικών συστατικών είναι η λουτεΐνη, η ζεαξανθίνη και το λυκοπένιο. Τα περισσότερα καροτενοειδή έχουν αντιοξειδωτικές ιδιότητες. Μερικά, συμπεριλαμβανομένης της άλφα- και βήτα-καροτίνης και της βήτα-κρυπτοξανθίνης, μπορούν να μετατραπούν από το σώμα σε μια δομικά παρόμοια ρετινόλη, βιταμίνη Α. Τα έντονα χρώματα των λαχανικών, ειδικά το κίτρινο του καλαμποκιού, το πορτοκαλί των καρότων και το κόκκινο της ντομάτας , υπάρχει λόγω των καροτενοειδών.
Το τμήμα του μορίου που παράγει τα χρώματα που βρίσκονται στη δομή των καροτενοειδών είναι το χρωμοφόρο, που σημαίνει «φέρουν χρώμα». Καθορίζεται σε μεγάλο βαθμό από την αδιάλειπτη συλλογή εναλλασσόμενων διπλών δεσμών που βρίσκονται στο μόριο. Αυτή η συλλογή ηλεκτρονίων pi απορροφά ενέργεια που συμπίπτει με ένα μέρος του ορατού φάσματος. Αυτό που μένει μέσω των μη απορροφημένων χρωμάτων καθορίζει το χρώμα του φρούτου ή του λαχανικού. Έτσι, ένα κίτρινο λαχανικό απορροφά το φως ιδιαίτερα στο μπλε μέρος του φάσματος.
Τα καροτενοειδή βρίσκονται σε φυτικούς χλωροπλάστες και χρωμοπλάστες. Εξυπηρετούν δύο συγκεκριμένες λειτουργίες. Οι ενώσεις απορροφούν το φως που μπορεί να χρησιμοποιηθεί στη διαδικασία της φωτοσύνθεσης μέσω της μεταφοράς ενέργειας και χρησιμεύουν για την προστασία των ευαίσθητων μορίων χλωροφύλλης από την έκθεση στο επιβλαβές υπεριώδες φως. Το φθινόπωρο σε ορισμένα μέρη του κόσμου, καθώς η ποσότητα της χλωροφύλλης μειώνεται, τα καροτενοειδή συχνά αποκαλύπτονται στα όμορφα χρώματα πολλών φυτών που αλλάζουν με τις εποχές. Τα προϊόντα αποσύνθεσης πολλών από τα καροτενοειδή προσδίδουν ευχάριστα αρώματα. Μερικές από αυτές τις ενώσεις χρησιμοποιούνται στις βιομηχανίες αιθέριων ουσιών, αρωμάτων και αρωμάτων.