Động vật biển nói chung có màu sắc đa dạng, về cấu trúc sinh học, Carotenoid chính là nhóm sắc tố phổ biến tạo thành các phức với protein mà được biết là carotenoprotein. Những phức này rất phổ biến ở các loài động vật biển. Phức carotenoprotein chịu trách nhiệm cho các màu sắc đa dạng (đỏ, tím, xanh lam, xanh lục, vàng, cam) ở những loài động vật có xương sống dưới biển khi ghép đôi hay ngụy trang. Có hai loại carotenoprotein chính: Loại A và loại B.

• Loại A: có các carotenoid (chromogen) mà liên kết với các protein đơn giản (stoichiometrically), loại A thường được tìm thấy ở bề mặt (vỏ và da) của các động vật có xương sống dưới biển
• Loại B: có các carotenoid mà liên kết với lipoprotein và thường ít ổn định hơn, loại B thường ở trong trứng, buồng trứng, và máu.

Ở loài tôm hùm, có nhiều phức astaxanthin-protein tồn tại. Đầu tiên là crustacyanin (dài tối đa 632 nm), sắc tố màu xanh lam xám đen được tìm thấy ở phần vỏ mai của tôm hùm. Thứ hai là crustochrin (dài tối đa 409 nm), sắc tố màu vàng được tìm thấy ở lớp ngoài cùng của phần vỏ mai tôm hùm. Cuối cùng, lipoglycoprotein và ovoverdin tạo thành một sắc tố màu xanh lục sáng mà thường hiện diện ở lớp ngoài cùng của phần vỏ mai và trứng tôm hùm[3][4].

Tetrapyrrole có vai trò trong sự thay đổi màu ở các mô của sinh vật biển. Melanin là một nhóm các hợp chất mà có vai trò là sắc tố với nhiều cấu trúc khác nhau, chịu trách nhiệm cho các sắc tố đỏ hay vàng thẫm ở động vật biển. Nó được tạo ra khi mà axit amin tyrosine được chuyển hóa, thường hay được tìm thấy ở da, mắt. Vài loại melanin khác nhau bao gồm melanoprotein (melanin nâu sẫm được trữ ở nồng độ cao trong túi mực của loài mực nang Sepia officianalis), echinoidea (được tìm thấy ở các loài Clypeasteroida (Sand dollar) là những loài động vật da gai hình tròn phẳng, và ở tim của nhím biển), holothuroidea (được tìm thấy ở hải sâm), và ophiuroidea (được tìm thấy ở sao biển đuôi rắn (Ophiuroidea/brittle star-snake star).

Sự phát quang sinh học là nguồn sáng duy nhất dưới biển sâu, động vật biển tạo ra năng lượng ánh sáng nhìn thấy được gọi là sự phát quang sinh học, một dạng của sự phát quang bằng phản ứng hóa học. Đây là phản ứng mà năng lượng hóa học được chuyển hóa thành năng lượng ánh sáng. Có khoảng 90% động vật dưới biển sâu tạo ra một phần ánh sáng sinh học. Xem như là một lượng lớn quang phổ ánh sáng nhìn thấy được bị hấp thụ trước khi đến được vùng biển sâu, thì hầu hết ánh sáng phát ra từ động vật dưới biển sâu là màu xanh lam và xanh lục. Tuy nhiên, vài loài có thể phát ra ánh sáng màu đỏ và hồng ngoại, và kể cả một loài được cho là có thể phát ra ánh sáng sinh học màu vàng.

Cơ quan chịu trách nhiệm cho sự phát quang sinh học được biết là thể phát quang (photophore). Nó chỉ hiện diện trong mực ống và cá, và được sử dụng để phát sáng phần bề mặt ở bụng, mà sẽ giúp giấu đi bóng của chúng khỏi các loài săn mồi. Việc sử dụng thể phát quang ở động vật biển thì khác nhau, giống như dùng thấu kính để kiểm soát cường độ màu, cường độ ánh sáng phát ra. Mực ống có cả thể phát quang và tế bào sắc tố nhằm kiểm soát những cường độ này. Một thứ khác chịu trách nhiệm cho sự phát ra ánh sáng sinh học, mà thể hiện rõ ở sự lóe sáng của sứa, bắt đầu với luciferin (là photogen) và kết thúc với thể phát sáng (là photagogikon). Luciferin, luciferase, muối và oxy phản ứng, kết hợp lại và tạo thành một đơn vị duy nhất gọi là photo-protein, mà có thể tạo ra ánh sáng khi phản ứng với phân tử khác chẳng hạn như Ca+.

Sứa sử dụng phương pháp này như một cơ chế tự vệ của động vật khi một động vật săn mồi nhỏ cố gắng nuốt chửng sứa, nó sẽ lóe sáng lên, từ đó sẽ thu hút một động vật săng mồi lớn hơn đến và đuổi dộng vật săn mồi nhỏ đi. Sứa còn sử dụng cách này để tìm bạn tình. Ở các loài san hô trên đá ngầm và hải quỳ thì chúng phát sáng kiểu huỳnh quang, ánh sáng được chúng hấp thụ ở một bước sóng, rồi phát ra lại ở bước sóng khác. Những sắc tố này có thể đóng vai trò là một chất chống nắng tự nhiên, hỗ trợ trong quang hợp, cảnh báo, thu hút đồng loại, hay làm rối loạn động vật săn mồi.

Người ta biết là động vật sử dụng các mảng màu của chúng để xua đi thú săn mồi, tuy nhiên, ta cũng quan sát được một loại sắc tố từ bọt biển có thể bắt chước được một loại hóa chất mà có liên quan đến sự lột xác ở của một loài giáp xác. Loài này chuyên ăn bọt biển. Vì thế mỗi khi mà loài giáp xác này ăn bọt biển, các sắc tố hóa học ngăn cản sự lột xác, và cuối cùng là loài giáp xác này chết.

Tín hiệu xua đuổi là sự đổi màu cảnh báo đến các loài săn mồi tiềm năng nhằm xua chúng đi. Với loài sên biển, chúng hấp thu các chất độc và khó chịu thải ra từ bọt biển và trữ lại trong tuyến hôi của chúng (nằm ở xung quanh lớp vỏ bì). Các động vật ăn thịt sên biển đã học cách tránh những loài sên biển nhất định này dựa trên các mảng màu sặc sỡ của chúng. Những loài bị ăn thịt cũng tự bảo vệ bằng các chất độc từ các hợp chất hữu cơ và vô cơ đa dạng.

Sự đổi màu ở động vật có xương sống biến đổi tùy theo độ sâu, nhiệt độ nước, nguồn thức ăn, dòng hải lưu, vị trí địa lý, sự tiếp xúc ánh sáng, và sự lắng đọng trầm tích. Ví dụ, lượng carotenoid ở một loài hải quỳ nhất định giảm đi khi lặn sâu xuống đại dương. Do đó, các sinh vật biển cư trú ở vùng nước sâu thì có màu tối hơn là các loài ở vùng được chiếu sáng tốt hơn, do sự giảm sắc tố. Ở các đàn Trididemnum solidum sống cộng sinh kiểu hải tiêu–tảo lam, màu của chúng khác nhau tùy vào chế độ ánh sáng ở nơi mà chúng sống.

Những đàn mà tiếp xúc trực tiếp với ánh sáng mặt trời thường bị vôi hóa mạnh, dày hơn, và có màu trắng. Ngược lại, ở những đàn mà sống trong vùng có bóng râm thì có nhiều sắc tố tảo đỏ (phycoerythin – hấp thụ màu xanh) hơn so với sắc tố tảo lam (phycocyanin – hấp thụ màu đỏ), mỏng hơn, và có màu tím. Màu tím ở những đàn trong bóng râm chủ yếu là do sắc tố màu xanh (phycobilin) của tảo, có nghĩa là sự biến đổi sự tiếp xúc ánh sáng sẽ thay đổi màu ở những đàn sinh vật này.

Những sắc tố ở động vật biển được sử dụng cho các mục đích khác nhau, hơn là chỉ để tự vệ. Một số sắc tố có thể chống lại tia UV. Ở loài sên biển Nembrotha kubaryana, sắc tố tetrapyrrole số 13 được cho là một chất kháng khuẩn tiềm năng. Cũng ở loài sinh vật này, chất tamjamines A, B, C, E và F đã cho thấy tính kháng khuẩn, kháng khối u, và hoạt tính suy giảm miễn dịch. Các sesquiterpenoit được nhận diện bởi màu xanh và tím của chúng, nhưng cũng được ghi nhận là có nhiều hoạt tính sinh học đa dạng chẳng hạn như diệt khuẩn, kiểm soát phản ứng miễn dịch (immunoregulation), kháng khuẩn, và ngăn cản sự phân bào cũng như hoạt tính ngăn cản sự phân bào ở trứng cầu gai và hải tiêu đã thụ tinh.