Οι καροτενοειδείς χρωστικές βρίσκονται σε όλα τα είδη φυτών και απορροφούν ενέργεια και προστατεύουν από τη ζημιά από το φως καθώς λαμβάνει χώρα η φωτοσύνθεση. Είτε κόκκινο είτε κίτρινο χρώμα, τα καροτενοειδή είναι ορατά όταν εξαντληθεί η χλωροφύλλη, η ουσία που μετατρέπει το φως σε ενέργεια στα φυτά και ορισμένα βακτήρια. Τα χρώματα στα οποία αλλάζουν τα φύλλα των δέντρων το φθινόπωρο οφείλονται στην έκθεση των καροτενοειδών χρωστικών. Αυτές οι χρωστικές έχουν επίσης αντιοξειδωτικά και η κατανάλωση καροτενοειδών μπορεί να προστατεύσει από καρδιακές παθήσεις και καρκίνο σε ανθρώπους και άλλα είδη.
Μοριακά, τα περισσότερα από τα καροτενοειδή που εμπλέκονται σε αυτές τις διαδικασίες διαθέτουν μια ραχοκοκαλιά υδρογονανθράκων. Μεταξύ τριών και 15 διπλών δεσμών υπάρχουν σε όλο το μήκος αυτής της ραχοκοκαλιάς και ο αριθμός των δεσμών έχει άμεση σχέση με το τμήμα του φάσματος που μπορεί να επεξεργαστεί ένα καροτενοειδές. Το φως μεταξύ 400 και 500 νανομέτρων (nm) απορροφάται τυπικά από αυτά τα μόρια. Το φυτοένιο είναι ο πρώτος τύπος που παράγεται από τη συναρμολόγηση διαφόρων μοριακών συστατικών και είναι κρίσιμος στο σχηματισμό άλλων καροτενοειδών. Οι βασικές χρωστικές μπορούν να βιοσυνθεθούν σε άλλες ενώσεις, όπως βήτα καροτένιο και λυκοπένιο.
Τα καροτενοειδή παίζουν σημαντικό προστατευτικό ρόλο επειδή εμποδίζουν τις επιδράσεις των σωματιδίων οξυγόνου και των ριζών όταν αλληλεπιδρούν το φως και οι φωτοευαισθητοποιητές όπως η χλωροφύλλη. Η ενέργεια ακτινοβολίας μεταφέρεται από τις χρωστικές καροτενοειδών σε μεμονωμένα μόρια χλωροφύλλης, ενώ η περίσσεια ενέργειας διαχέεται ως μέρος του κύκλου της ξανθοφύλλης σε ορισμένα φυτά και φύκια. Τα μόρια χλωροφύλλης που παραμένουν σε ενεργή κατάσταση μπορούν επίσης να ρυθμιστούν. Σε μοριακό επίπεδο, τα καροτενοειδή βοηθούν στη σύνδεση των μορίων των φωτοσυνθετικών χρωστικών-πρωτεϊνών.
Η κατανάλωση φυτικών οργανισμών οδηγεί στη μεταβολική επεξεργασία των καροτενοειδών χρωστικών σε σολομό, γαρίδες, αστακούς και πλάσματα. Ο χρωματισμός τέτοιων ψαριών και καρκινοειδών προέρχεται από τις χρωστικές που βρίσκονται στα τρόφιμα που τρώνε. Για παράδειγμα, ο άγριος σολομός που τρώει γαρίδες έχει πολύ πιο κόκκινο χρώμα από τον σολομό που παράγεται σε φάρμες. Είναι δύσκολο να συλλέξουμε καροτενοειδή με φυσικό τρόπο, αλλά η γενετική μηχανική κάνει την προοπτική πιο αισιόδοξη. Οι χημικά συνθεμένες χρωστικές δεν αποδίδουν το ίδιο αποτέλεσμα με τις φυσικές.
Διάφορα είδη καροτενοειδών υπάρχουν σε φυτά, βακτήρια, μύκητες και φύκια. Το φυτοένιο είναι μια μορφή χρωστικής που μπορεί να μεταβολιστεί σε βήτα καροτένιο, το οποίο, μαζί με άλλες ενώσεις, χρησιμοποιείται για την παραγωγή βιταμίνης Α καθώς και υγρού αμφιβληστροειδούς στα θηλαστικά. Οι φωτοσυνθετικές ιδιότητες και ο αντίκτυπος στην ανθρώπινη υγεία καθιστούν τις καροτενοειδείς χρωστικές ουσίες ένα από τα πιο σημαντικά βιολογικά στοιχεία στη φύση.