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。