Način na koji kameleoni mijenjaju boje sličan je načinu na koji miješanje različitih boja boja stvara nove boje. Općenito, kameleoni mijenjaju boje pomoću kromatofora i melanina. Kromatofori su stanice koje sadrže pigment ili boju; ove stanice imaju dva sloja, pri čemu gornji sloj sadrži crveni ili žuti pigment, a donji sloj sadrži plavi ili bijeli pigment. Melanin je, s druge strane, u biti tvar koja određuje tamnu boju kože, s prisutnošću više melanina što uzrokuje tamniju kožu. Kada autonomni živčani sustav (ANS), dio živčanog sustava koji kontrolira nevoljne funkcije tijela, kaže stanicama da se šire ili skupljaju, različite boje se miješaju poput boje i mijenjaju boju kože kameleona.
Iako kameleoni imaju sposobnost mijenjanja boja, neke vrste imaju ograničenja u rasponu boja koje mogu prikazati. Isto vrijedi i za raspon uzoraka koje također mogu prikazati. Općenito, većina kameleona može se mijenjati između zelene, crne i smeđe boje. Neki kameleoni se također mogu promijeniti u niz drugih boja, pri čemu se najživlje promjene boje obično pojavljuju kod mužjaka kada su u potrazi i spremni za parenje.
Iako je svrha nekih uzoraka pomoći kameleonima da se stapaju sa svojom okolinom, vrlo je uobičajena zabluda da kameleoni mijenjaju boje kako bi se kamuflirali. Ova zabluda je razumljiva, budući da kameleoni mogu mijenjati boje i jako nalikuju svojoj okolini. Na primjer, kameleon s određenim uzorcima i bojama može se vrlo dobro uklopiti s granom. U stvarnosti, kameleoni mijenjaju boje kao reakciju na čimbenike okoliša kao što su svjetlost i temperatura, kao i kao reakcija na svoje emocije ili raspoloženja. Sposobnost promjene boja omogućuje kameleonima da se prilagode svojoj okolini i postanu udobniji te im također pomaže u međusobnoj komunikaciji.
Kameleoni mijenjaju boje kako bi reflektirali ili apsorbirali svjetlost i temperaturu. Kada leže pod vrelim suncem, na primjer, kameleoni se mogu promijeniti u svjetliju boju kako bi odražavali svjetlinu sunca. Što se tiče temperature, kada je vani hladno, kameleoni mogu postati tamnije boje kako bi mogli apsorbirati što više topline. Općenito, uglavnom se promjene boje događaju zbog promjena raspoloženja. Kao takvi, kada kameleoni mijenjaju boje, možda to čine jer izražavaju svoje emocije, poput ljutnje ili straha.