I rapidi cambiamenti di colore di molti pesci, anfibi, molluschi e crostacei sono in relazione alla presenza di speciali cromatofori, che possono essere indipendenti l'uno dall'altro o essere coordinati insieme. Alcuni cromatofori possono contenere numerosi pigmenti, ognuno dei quali è in grado di rispondere ad un diverso stimolo.

Eccettuati quelli dei molluschi cefalopodi e dei crostacei, tutti gli altri cromatofori sono molto simili tra loro. La loro morfologia è abbastanza semplice e consiste in cellule ramificate contenenti i pigmenti all'interno del citoplasma, questi ultimi, a secondo degli stimoli, vengono diffusi nelle varie ramificazioni del citoplasma o restano raccolti, a formare una massa unica, al centro della cellula, variando in questo modo la colorazione complessiva dell'animale.

Gli anfipodi del genere Hyperia, piccoli crostacei che vivono in associazione con meduse chiare, sono quasi trasparenti se si trovano sulla medusa; al contrario, i cromatofori producono pigmenti scuri quando l'animale si stacca dalla medusa per nuotare liberamente sul fondale. Risposte cromatiche molto efficaci sono quelle che si riscontrano nei molluschi cefalopodi, in particolare nei calamari e nelle seppie. I loro cromatofori hanno ampie potenzialità per quanto riguarda i colori che possono produrre. Ciascun cromatoforo consiste di un corpo rotondeggiante centrale circondato da una membrana elastica e contenente pigmento sparso e un nucleo; attorno alla membrana esterna vi è un sistema di lunghe fibre muscolari allungate, ramificate nel tessuto circostante. Quando il sistema è in riposo, la membrana comprime tutto il liquido verso la parte centrale della cellula ed il cromatoforo è praticamente invisibile; quando, invece, i muscoli si contraggono, il cromatoforo si espande assumendo una forma discoidale e il pigmento viene emesso all'estemo. Tutto il processo è controllato da particolari centri, regolati da un centro generale per il colore che si trova nel ganglio centrale.

I cambiamenti di colore possono essere esaltati da alcune cellule contenenti materiale iridescente che può riflettere la luce e produrre particolari effetti madreperlacei. I cambiamenti di colore e la relativa mimesi hanno anche la funzione di mostrare quale è il particolare stato fisiologico del cefalopode, ad esempio quello di eccitazione sessuale.

In molti crostacei la trasparenza del corpo è generalmente correlata a cromatofori che vengono attivati da particolari ormoni. Molti isopodi, anfipodi e decapodi possono cambiare colore con una sorprendente gamma di variazioni regolate da un singolo cromatoforo che contiene molti pigmenti, ciascuno dei quali in grado di rispondere a stimoli diversi.

I cromatofori dei crostacei reagiscono sia a stimoli visivi che all'esposizione diretta della luce. I cambiamenti di colore in risposta agli stimoli che colpiscono la porzione superiore dell'occhio composto sono generalmente diversi da quelli che raggiungono la porzione inferiore: mentre i primi comportano l'emissione del solo pigmento nero, gli altri stimolano la emissione di tutti gli altri tipi di pigmento.

Comunque, a prescindere dagli occhi, la luce può avere anche un effetto diretto sui cromatofori dei crostacei; gli stimoli visivi, infatti, vengono recepiti dai cromatofori in quanto i cromatofori dei crostacei, a differenza di quelli dei molluschi, non sono sotto il controllo del sistema nervoso bensì di quello endocrino. Sono noti, infatti, sistemi ghiandolari (ghiandola del seno ed organo X) localizzati sui peduncoli oculari dei crostacei, collegati con i mutamenti di colore. In un primo tempo si riteneva che la "ghiandola" del seno (sinus gland) fosse una ghiandola ormonale; è stato, invece, dimostrato che in realtà non si tratta di una vera e propria ghiandola bensì di un centro che regola il flusso di ormoni nel sangue.

Esistono, altresì, differenti ormoni che regolano la produzione di pigmenti colorati nei crostacei. I cromatofori dei ben noti camaleonti posseggono tre strati di pigmento: giallo, nero e rosso. Gli strati più profondi funzionano da riflettori, i pigmenti blu dello strato superficiale si combinano con il pigmento giallo per dar luogo ad una colorazione verde. Tuttavia, anche se generalmente le colorazioni dei camaleonti sono interpretate come un messaggio minaccioso, il complesso linguaggio dei colori in questi animali è tuttora difficile da interpretare.

Sempre nel gruppo dei segnali cromatici impiegati a scopo intimidatorio rientrano la cosidette macchie ocellari di cui sono forniti numerosi bruchi e farfalle. Le macchie ocellari sono macchie colorate a forma di grossi occhi che compaiono in molti animali, in particolare nei lepidotteri, la cui funzione è quella di simulare la presenza di un capo laddove, invece, si trova la parte posteriore del corpo; in questo modo, se attaccati da questa parte del corpo, come avviene nella maggior parte dei casi, essi sono in grado di sfuggire repentinamente nella direzione inaspettata!

I bruchi di alcune specie, inoltre, sono in grado di ingigantire le macchie ocellari mediante un aumento del flusso di emolinfa che consente una notevole espansione del loro torace; la mimesi in molti casi è così perfetta che, in corrispondenza delle macchie ocellari, il torace assume una sorprendente rassomiglianza con il capo di un serpente.

Il fenomeno delle macchie ocellari è presente anche in numerosi pesci della barriera corallina ma, in molti casi, non si comprende bene il loro significato; le macchie ocellari del "pesce sole" e di numerosi ciclidi potrebbero essere messe in relazione con la competizione intraspecifica. In generale i pesci orientano il loro attacco in base alla posizione dell'occhio della loro vittima e se l'occhio non è situato nella posizione normale essi molto spesso tentano di abboccarlo dalla parte della coda e la preda può riuscire a fuggire nella direzione opposta (mimesi del capo).