植物の葉が緑に見えるのはクロロフィルのため。植物の葉は二酸化炭素と水、光を使ってエネルギーと酸素を作っています。これが光合成で、このとき、光を効率良く吸収するために働くのがクロロフィル（葉緑素）という色素。クロロフィルは植物細胞の中にある葉緑体に含まれていて、光の3原色（赤、青、緑）のうち、主に青と赤の光を吸収し、緑の光は反射し、そのため植物は緑に見えます。
秋に気温が下がり、光合成の反応速度は遅くなり、また昼の時間が短くなり、太陽の光も弱まるので、生産できる養分が減ります。使えるエネルギー量も減り、樹木は消費エネルギー節約のため、葉の働きを徐々に止めていきます。
まず、葉の活動を低下させ、消費エネルギーを節約するため葉の根もとに「離層」という水や養分の行き来を減らすバリアをつくります。さらに、葉のクロロフィルを分解し、養分に変え、幹に送って活動のエネルギーとして利用します。クロロフィルが減り、緑色がしだいに薄まっていきます。
葉の緑色が弱まると、葉にあった別の色素の色が目立つようになります。多くの葉にはクロロフィルの他にも、黄や赤に見えるカロテン類やキサントフィル類などの色素（カロテノイド）があります。これらの色は、クロロフィルが多いときは緑に隠れていたのですが、クロロフィルが減り、緑色が薄まると目立つようになります。イチョウなどで起きる黄葉はこれが原因です。
モミジなどでは、葉緑体の分解が始まる前にアントシアニンという物質がつくられ出します。アントシアニンは赤や紫の花などにも含まれる色素で、それが増えると葉は赤く色づいて見えます（紅葉）。また、ブナやケヤキなどは葉の中のタンニンが増えることによって、濃い茶色（褐色）が目立つようになります（褐葉）。
