Ο τρόπος με τον οποίο οι χαμαιλέοντες αλλάζουν χρώματα είναι παρόμοιος με τον τρόπο με τον οποίο η ανάμειξη διαφορετικών χρωμάτων δημιουργεί νέα χρώματα. Γενικά, οι χαμαιλέοντες αλλάζουν χρώματα χρησιμοποιώντας χρωματοφόρα και μελανίνη. Τα χρωματοφόρα είναι κύτταρα που περιέχουν χρωστική ουσία ή χρώμα. Αυτά τα κύτταρα έχουν δύο στρώματα, με το ανώτερο στρώμα να περιέχει κόκκινη ή κίτρινη χρωστική και το κάτω στρώμα να περιέχει μπλε ή λευκή χρωστική ουσία. Η μελανίνη, από την άλλη πλευρά, είναι ουσιαστικά μια ουσία που καθορίζει το σκοτάδι του χρώματος του δέρματος, με την παρουσία περισσότερης μελανίνης να προκαλεί πιο σκούρο δέρμα. Όταν το αυτόνομο νευρικό σύστημα (ANS), ένα μέρος του νευρικού συστήματος που ελέγχει τις ακούσιες λειτουργίες του σώματος, λέει στα κύτταρα να επεκταθούν ή να συρρικνωθούν, τα διαφορετικά χρώματα αναμιγνύονται μεταξύ τους όπως το χρώμα και αλλάζουν το χρώμα του δέρματος ενός χαμαιλέοντα.
Αν και οι χαμαιλέοντες έχουν την ικανότητα να αλλάζουν χρώματα, ορισμένα είδη έχουν όρια στη γκάμα των χρωμάτων που μπορούν να εμφανίσουν. Το ίδιο ισχύει και για το φάσμα των μοτίβων που μπορούν επίσης να εμφανίσουν. Σε γενικές γραμμές, οι περισσότεροι χαμαιλέοντες μπορούν να αλλάξουν μεταξύ των χρωμάτων πράσινο, μαύρο και καφέ. Ορισμένοι χαμαιλέοντες μπορούν επίσης να μετατραπούν σε μια σειρά άλλων χρωμάτων, με τις πιο ζωντανές αλλαγές χρώματος να εμφανίζονται συνήθως στα αρσενικά όταν φαίνονται και είναι έτοιμα να ζευγαρώσουν.
Ενώ ο σκοπός ορισμένων σχεδίων είναι να βοηθήσουν τους χαμαιλέοντες να συνδυαστούν με το περιβάλλον τους, είναι μια πολύ κοινή παρανόηση ότι οι χαμαιλέοντες αλλάζουν χρώματα σε καμουφλάζ. Αυτή η λανθασμένη αντίληψη είναι κατανοητή, αφού οι χαμαιλέοντες μπορούν να αλλάξουν χρώματα και να μοιάζουν πολύ με το περιβάλλον τους. Για παράδειγμα, ένας χαμαιλέοντας με συγκεκριμένα σχέδια και χρώματα μπορεί να συνδυαστεί πολύ καλά με ένα κλαδί. Στην πραγματικότητα όμως, οι χαμαιλέοντες αλλάζουν χρώματα σε αντίδραση σε περιβαλλοντικούς παράγοντες όπως το φως και η θερμοκρασία, καθώς και σε αντίδραση στα συναισθήματα ή τις διαθέσεις τους. Η δυνατότητα αλλαγής χρωμάτων επιτρέπει στους χαμαιλέοντες να προσαρμόζονται στο περιβάλλον τους και να γίνονται πιο άνετοι και επίσης τους βοηθά να επικοινωνούν μεταξύ τους.
Οι χαμαιλέοντες αλλάζουν χρώματα για να αντανακλούν ή να απορροφούν το φως και τη θερμοκρασία. Όταν ξαπλώνετε κάτω από τον καυτό ήλιο, για παράδειγμα, οι χαμαιλέοντες μπορούν να μετατραπούν σε πιο ανοιχτό χρώμα για να αντανακλούν τη φωτεινότητα του ήλιου. Όσο για τη θερμοκρασία, όταν κάνει κρύο, οι χαμαιλέοντες μπορούν να έχουν πιο σκούρο χρώμα, ώστε να απορροφήσουν όσο το δυνατόν περισσότερη θερμότητα. Σε γενικές γραμμές όμως, τις περισσότερες φορές οι αλλαγές χρώματος συμβαίνουν λόγω αλλαγών στη διάθεση. Ως εκ τούτου, όταν οι χαμαιλέοντες αλλάζουν χρώματα, μπορεί να το κάνουν επειδή εκφράζουν τα συναισθήματά τους, όπως θυμό ή φόβο.