Kameleontit vaihtavat värejä samalla tavalla kuin eri maalivärien sekoittaminen luo uusia värejä. Yleensä kameleontit vaihtavat värejä käyttämällä kromatoforeja ja melaniinia. Kromatoforit ovat soluja, jotka sisältävät pigmenttiä tai väriä; näissä soluissa on kaksi kerrosta: ylempi kerros sisältää punaista tai keltaista pigmenttiä ja alakerros sinistä tai valkoista pigmenttiä. Melaniini on sitä vastoin olennaisesti aine, joka määrittää ihon värin tummuuden, ja enemmän melaniinia aiheuttaa tummempaa ihoa. Kun autonominen hermosto (ANS), osa hermostoa, joka ohjaa kehon tahattomia toimintoja, käskee soluja laajentumaan tai kutistumaan, eri värit sekoittuvat yhteen kuten maali ja muuttavat kameleontin ihon väriä.
Vaikka kameleontit kykenevät vaihtamaan värejä, joillakin lajeilla on rajoituksia niiden näyttämille väreille. Sama koskee myös erilaisia kuvioita, joita he voivat näyttää. Yleensä useimmat kameleontit voivat vaihtaa vihreän, mustan ja ruskean värin välillä. Jotkut kameleontit voivat muuttua myös joukko muita värejä, ja voimakkaimmat värimuutokset näkyvät yleensä miehillä, kun he etsivät ja ovat valmiita parittelemaan.
Vaikka joidenkin kuvioiden tarkoitus on auttaa kameleontteja sulautumaan ympäristöönsä, on hyvin yleinen väärinkäsitys, että kameleontit vaihtavat värejä naamiointiin. Tämä väärinkäsitys on ymmärrettävää, koska kameleontit voivat vaihtaa värejä ja muistuttaa hyvin paljon ympäristöään. Esimerkiksi kameleontti, jolla on tiettyjä kuvioita ja värejä, voi sulautua hyvin haaraan. Todellisuudessa kameleontit vaihtavat värejä reagoidessaan sellaisiin ympäristötekijöihin kuin valo ja lämpötila sekä tunteisiin tai mielialaan. Kyky vaihtaa värejä antaa kameleontille mahdollisuuden sopeutua ympäristöönsä ja tulla mukavammaksi sekä auttaa heitä kommunikoimaan keskenään.
Kameleontit vaihtavat värejä heijastamaan tai absorboimaan valoa ja lämpötilaa. Esimerkiksi makaamassa kuuman auringon alla, kameleontit voivat muuttua vaaleammaksi väreksi heijastamaan auringon kirkkautta. Mitä tulee lämpötilaan, kameleontit voivat muuttua tummemmiksi, kun ne ovat kylmiä, joten ne saattavat imeä mahdollisimman paljon lämpöä. Yleensä kuitenkin värinmuutokset tapahtuvat yleensä mielialan muutosten vuoksi. Kun kameleontit vaihtavat värejä, he saattavat tehdä niin, koska he ilmaisevat tunteitaan, kuten vihaa tai pelkoa.