Chameleonų spalvų keitimo būdas yra panašus į tai, kaip maišant skirtingų spalvų dažus sukuriamos naujos spalvos. Apskritai chameleonai keičia spalvas naudodami chromatoforus ir melaniną. Chromatoforai yra ląstelės, kuriose yra pigmento arba spalvos; šios ląstelės turi du sluoksnius: viršutiniame sluoksnyje yra raudono arba geltono pigmento, o apatiniame – mėlyno arba balto pigmento. Kita vertus, melaninas iš esmės yra medžiaga, kuri lemia odos spalvos tamsumą, o esant daugiau melanino, oda tampa tamsesnė. Kai autonominė nervų sistema (ANS), nervų sistemos dalis, kontroliuojanti nevalingas kūno funkcijas, liepia ląstelėms plėstis arba trauktis, skirtingos spalvos susimaišo panašiai kaip dažai ir keičia chameleono odos spalvą.
Nors chameleonai turi galimybę keisti spalvas, kai kurios rūšys turi ribotas spalvų diapazonas, kurį jie gali rodyti. Tas pats pasakytina ir apie daugybę modelių, kuriuos jie taip pat gali rodyti. Apskritai dauguma chameleonų gali keistis žalia, juoda ir ruda spalva. Kai kurie chameleonai taip pat gali pasikeisti į daugybę kitų spalvų, o ryškiausi spalvų pokyčiai dažniausiai pasireiškia patinams, kai jie žiūri ir yra pasirengę poruotis.
Nors kai kurių raštų tikslas yra padėti chameleonams susilieti su juos supančia aplinka, labai paplitusi klaidinga nuomonė, kad chameleonai keičia spalvas į maskuojančius. Ši klaidinga nuomonė suprantama, nes chameleonai gali keisti spalvas ir labai panašūs į aplinką. Pavyzdžiui, tam tikrų raštų ir spalvų chameleonas gali labai gerai derėti su šakele. Tačiau iš tikrųjų chameleonai keičia spalvas reaguodami į tokius aplinkos veiksnius kaip šviesa ir temperatūra, taip pat reaguodami į savo emocijas ar nuotaikas. Gebėjimas keisti spalvas leidžia chameleonams prisitaikyti prie juos supančios aplinkos ir tapti patogiau, taip pat padeda jiems bendrauti tarpusavyje.
Chameleonai keičia spalvas, kad atspindėtų arba sugertų šviesą ir temperatūrą. Pavyzdžiui, gulėdami po kaitria saule chameleonai gali pasikeisti į šviesesnę spalvą, kad atspindėtų saulės ryškumą. Kalbant apie temperatūrą, kai lauke šalta, chameleonai gali tapti tamsesnės spalvos, kad galėtų sugerti kuo daugiau šilumos. Tačiau apskritai dažniausiai spalvos keičiasi dėl nuotaikos pokyčių. Jei chameleonai keičia spalvas, jie taip elgiasi todėl, kad išreiškia savo emocijas, tokias kaip pyktis ar baimė.