Blätter enthalten neben dem grünen Chlorophyll (für die Fotosynthese) auch gelb-orange Farbstoffe, die Carotinoide. Im Sommer überdeckt das viel häufigere Chlorophyll diese Farben fast vollständig – die Blätter erscheinen grün.
Mit sinkenden Temperaturen und kürzeren Tagen zieht der Baum wertvolle Bestandteile, darunter das Chlorophyll, aus den Blättern zurück in den Stamm, bevor er sie abwirft. Das Chlorophyll wird dabei abgebaut, während die stabileren Carotinoide länger bestehen bleiben und jetzt sichtbar werden.
Bei manchen Bäumen entstehen zusätzlich neue rote Farbstoffe, die Anthocyane, die erst im Herbst als Reaktion auf Licht und Zuckeranreicherung im Blatt gebildet werden. Die Mischung aus übrig gebliebenen Carotinoiden und neu gebildeten Anthocyanen ergibt die typische herbstliche Farbpalette von Gelb bis Rot.