Широкую известность имеет свойственная всем хамелеонам способность изменять окраску и рисунок тела. Изменение окраски связано с особенностями строения кожного покрова. В наружном волокнистом и более глубоком слое кожи находятся особые разветвлённые клетки — хроматофоры, содержащие зёрна различных пигментов: чёрного, тёмно-коричневого, красноватого и жёлтого цветов.

При сокращении отростков хроматофоров зёрна пигментов перераспределяются, и их наибольшая концентрация приходится на центр клеток, при этом кожа самой ящерицы приобретает беловатый или жёлтый окрас. При сосредоточивании тёмного пигмента в волокнистом слое кожи она, соответственно, приобретает тёмную окраску. Сочетание пигментов обоих слоёв приводит к появлению различных цветовых оттенков. Зелёные цвета окраски появляются дополнительно в результате преломления лучей света в поверхностном слое кожи, содержащем кристаллы гуанина.

Традиционно считалось, что хамелеоны изменяют окраску тела для мимикрии под окружающую их растительность. Исследуя пёстрого горного хамелеона (род Bradypodion), обитающего в Северной Африке, учёные пришли к выводу, что хамелеоны используют изменение цвета в первую очередь для коммуникации с представителями своего вида, а не для защиты от хищников.