Karotenoidi pripadaju klasi terpenoida organskih spojeva, točnije tetraterpenoidima. To su fitokemikalije, koje se pojavljuju gotovo isključivo u biljkama, a podijeljene su u dvije kategorije: karoteni bez kisika i ksantofili koji sadrže kisik. Terpenoidi se mogu dobiti, barem teoretski, povezivanjem ili “polimerizacijom” molekula izoprena, CH2=C(CH3)CH=CH2. Tetraterpenoidni kosturi sadrže četiri terpenske jedinice od 10 ugljika za ukupno 40 atoma ugljika. Sužavajući definiciju, Međunarodna unija za čistu i primijenjenu kemiju upućuje na strukturu karotenoida kao na one tetraterpenoide koji su formalno izvedeni iz acikličkog matičnog likopena.
U strukturi karotenoida postoji točno 40 skeletnih ugljika, koji se teoretski mogu izvesti povezivanjem izoprenskih jedinica i sastoje se samo od ugljika, vodika i možda kisika. Struktura karotenoida također uključuje komponentu zvanu kromofor, koja je odgovorna za boju molekule. Ovi organski spojevi su biološki i nutritivno važni i neraskidivo su povezani s procesom fotosinteze koji održava život.
Polimerizacija je moguća jer izopren posjeduje dvije dvostruke veze. Svaka molekula izoprena ima pet ugljikovih atoma, tako da kombiniranje dvije molekule rezultira jednim lancem od 10 atoma ugljika. Rast se može nastaviti dalje od ove duljine, jer druga dvostruka veza za svaku molekulu sudionika ostaje neiskorištena. Postoji veliki izbor terpenoidnih struktura koje se mogu formirati, jer molekula izoprena nije simetrična. Spajanje se može odvijati od glave do glave, od glave do repa ili od repa do repa; što je lanac duži, to je veći broj kombinacija.
Karotenoidi su među nutritivno korisnim namirnicama koje se nalaze u voću i povrću. Među nutrijentima su lutein, zeaksantin i likopen. Većina karotenoida posjeduje antioksidativna svojstva. Neke, uključujući alfa- i beta-karoten i beta-kriptoksantin, tijelo može pretvoriti u strukturno sličan retinol, vitamin A. Svijetle boje povrća, osobito žuta kukuruza, narančasta mrkve i crvena rajčica , postoji zbog karotenoida.
Dio molekule koji proizvodi boje koje se nalaze u strukturi karotenoida je kromofor, što znači “noseći boju”. Uvelike je određen neprekinutim skupom izmjeničnih dvostrukih veza koje se nalaze u molekuli. Ova zbirka pi elektrona apsorbira energiju koja se podudara s dijelom vidljivog spektra. Ono što ostane kao neapsorbirane boje određuje boju voća ili povrća. Dakle, žuto povrće apsorbira svjetlost posebno u plavom dijelu spektra.
Karotenoidi se nalaze u biljnim kloroplastima i kromoplastima. Oni služe dvije specifične funkcije. Spojevi upijaju svjetlost koja se može koristiti u procesu fotosinteze putem prijenosa energije i služe za zaštitu osjetljivih molekula klorofila od izlaganja štetnom ultraljubičastom svjetlu. U jesen u nekim dijelovima svijeta, kako se količina klorofila smanjuje, karotenoidi se često otkrivaju u prekrasnim bojama mnogih biljaka koje se mijenjaju s godišnjim dobima. Produkti razgradnje mnogih karotenoida daju ugodne arome; neki od takvih spojeva koriste se u industriji esencija, parfema i aroma.