瞳の色の見え方を決定づけているのは、眼球の角膜と水晶体の間にある「虹彩（こうさい）」と呼ばれる薄い膜組織です。虹彩にはカメラの絞りのように光の量を調節する役割があり、ここに蓄積されるメラニン色素の量と種類によって、瞳のカラーバリエーションが生み出されます。
メラニン色素には、黒から濃褐色を呈する「ユーメラニン（真メラニン）」と、赤から黄色を帯びる「フェオメラニン」の2種類が存在します。日本人の大半は虹彩の前層および後層に高密度のユーメラニンを蓄えているため、外見上は黒に近いダークブラウンに見えます。しかし、虹彩前層のメラニン合成量が生まれつき少ない場合、光が内部の結合組織で散乱（レイリー散乱）を起こし、黄色や茶色が透けて明るいライトブラウンや琥珀色に見える仕組みです。
かつて学校の生物の授業では「メンデルの法則」に基づき、茶色の目は優性、青い目は劣性という単純な単一遺伝モデルで教えられていました。しかし現代の分子生物学では、瞳の色は「OCA2」や「HERC2」「SLC24A5」など、少なくとも16以上の遺伝子が複雑に関与する多因子遺伝であることが判明しています。両親が濃い黒褐色の瞳であっても、先祖から受け継がれた微細な遺伝子配列の組み合わせによって、突然変異ではなくごく自然な遺伝的発現として明るい茶色い瞳が誕生します。
