变色龙之所以会变色，取决于它皮肤的三层色素细胞，与其他的爬行动物不同的是，变色龙身体颜色的转变取决于皮肤表层内的色素细胞，在这些色素细胞中充满着不同颜色的色素。
纽约康奈尔大学生物系的安德森对变色龙的“变色原理”进行了详细解释：变色龙皮肤里有三层色素细胞，最深的一层是由承载黑素细胞构成的，其中细胞带有的黑色素可与上一层细胞相互交融，中间层是由鸟嘌呤细胞构成，它主要调控暗蓝色素，最外层细胞则主要是黄色素和红色素。
当变色龙的眼睛感觉到外界颜色发生变化时，这种信息会促使皮肤的色素细胞发生变化从而变色，变色龙皮肤里的每个细胞中，都有着四种色素：红、黄、储（即棕色）、绿。这四种色素，都会一忽儿扩张，一忽儿收缩。
温度:变色龙会根据周围的温度，紫外线的强弱来改变肤色，这些变化预示着它们所处的环境的温度变化。
情绪:变色龙愤怒时可能变成嫩黄色，变色龙的表皮细胞根据外界光线和温度的变化以及体内化学反应进行扩张和收缩。当它生气时，黄色细胞发生膨胀，阻碍了下层的蓝光反射出来，就会显示出黄色的体相特征。