植物叶肉细胞中主要含有有三种色素：叶绿素、叶黄素和胡萝卜素，这三种色素的合成与温度有关。秋天温度下降时胡萝卜素的分泌增多，而胡萝卜素是橙色的，所以树叶会变黄或者变红。
在植物的叶子中储藏有光合作用产生的淀粉，淀粉只有转化成葡萄糖，才能输送到植物的各部分去。但是到了深秋季节，天气变冷，叶子在白天制造的淀粉由于输送作用的减弱，到了晚上也不能完全变为葡萄糖运出叶子，同时叶子内的水分也逐渐减少，于是葡萄糖就留在叶子里，浓度越来越高。而葡萄糖的增多和秋天低温有利于花青素的形成。所以，花青素含量逐渐增多而叶绿素含量逐渐降低。花青素是一种不稳定的有机物，本身没有颜色，当它遇到酸性物质时变成红色，遇到碱性物质时会变成蓝色。这样，花青素在酸性的叶肉细胞中就变成了红色，所以树叶就变成了鲜红色。
枫叶变色的外部因素是气候条件：当气温迅速下降到一定程度，而且夜间的温度比白天下降很多时，树叶还没有凋落，而叶绿素已大部被破坏，同时昼夜温差的增大，也有助于花青素的形成，因此叶子很快变红。植物的叶片中除了叶绿素外还有许多其它的色素如黄色的叶黄素、胡萝卜素，红色的花青素等（花青素在酸性溶液中呈红色，在碱性溶液中则呈紫色），但因为叶绿素的含量较大而遮盖了其它颜色，使叶片呈绿色。到了秋天，叶绿素因为气温下降而渐渐分解，其它色素的颜得以显露出来。除此之外，枫叶中贮存的糖分还会分解转变成花青素，使叶片的颜色更加艳红。