眼睛颜色是一种多基因表型特征，由两个不同的因素决定：眼睛虹膜的色素沉着和虹膜基质中混浊介质对光散射的频率依赖性。
在人类中，虹膜的色素沉着从浅棕色到黑色不等，这取决于虹膜色素上皮细胞（位于虹膜后部）中黑色素的浓度，虹膜基质中的黑色素含量（位于虹膜前部）虹膜）和基质的细胞密度。蓝色、绿色和淡褐色眼睛的出现是由光在基质中的廷德尔散射引起的，这种现象类似于导致天空成蓝色的现象，称为瑞利散射。人类虹膜或眼液中不存在蓝色或绿色色素。因此，眼睛颜色是结构色的一个实例，并且会根据照明条件而变化，尤其是对于浅色眼睛。
许多鸟类颜色鲜艳的眼睛是由于存在其他色素，例如蝶啶、嘌呤和类胡萝卜素。人类和其他动物的眼睛颜色有许多表型变异。
人类眼睛颜色的遗传学和遗传是复杂的。迄今为止，与眼睛颜色遗传相关的基因多达16个。一些眼睛颜色基因包括OCA2和HERC2。早期认为蓝眼睛颜色是一种简单的隐性特征的观点已被证明是不正确的。眼睛颜色的遗传学非常复杂，几乎任何眼睛颜色的亲子组合都可能发生。然而，OCA2基因多态性，靠近近端5调节区，解释了大多数人眼颜色的变化。
眼睛颜色是一种受不止一个基因影响的遗传特征。这些基因是通过与基因本身和邻近基因的微小变化相关联来寻找的。这些变化被称为单核苷酸多态性或SNP。影响眼睛颜色的基因的实际数量目前未知，但有几个可能的候选者。鹿特丹的一项研究（年）发现，仅使用六个SNP就可以预测棕色和蓝色眼睛颜色的准确率超过90%。有证据表明，多达16种不同的基因可能与人类的眼睛颜色有关；然而，与眼睛颜色变化相关的两个主要基因是OCA2和HERC2，两者都定位于15号染色体。
大多数具有欧洲血统的新生婴儿的眼睛都是浅色的。随着孩子的成长，黑素细胞（在人眼虹膜、皮肤和毛囊中发现的细胞）慢慢开始产生黑色素。由于黑素细胞不断产生色素，理论上眼睛的颜色是可以改变的。成人眼睛的颜色通常在3到6个月大时形成，但也可能更晚。仅使用透射光从侧面观察婴儿的虹膜，虹膜背面没有反射，可以检测是否存在低水平的黑色素。在这种观察方法下呈现蓝色的虹膜更有可能随着婴儿年龄的增长而保持蓝色。即使在这么小的时候，看起来呈金色的虹膜也含有一些黑色素，并且随着婴儿年龄的增长可能会从蓝色变成绿色或棕色。
在儿童早期、青春期、怀孕期间以及有时在严重创伤之后眼睛颜色的变化（变亮或变暗）表明，由于化学反应或体内荷尔蒙变化，眼睛有时会在某些情况下改变颜色。
对白人双胞胎（异卵双胞胎和同卵双胞胎）的研究表明，随着时间的推移，眼睛的颜色可能会发生变化，虹膜的主要脱色也可能由基因决定。在具有淡褐色和琥珀色眼睛的高加索人群中已经观察到或报告了大多数眼睛颜色变化。在相同的环境条件下，两个不同的人可能对一个物体的颜色存在分歧；造成这种差异的因素是虹膜中黑色素的存在，这是决定眼睛颜色的主要因素。虹膜中的黑色素含量越高，黑色素的质地越致密，人的眼睛颜色就越深；同样的黑色素浓度还取决于许多因素，例如遗传和环境因素。
虹膜中黑色素最重要的作用是保护眼睛免受太阳有害射线的伤害。眼睛颜色较浅的人，如蓝色或绿色，对阳光的保护较弱，因此比眼睛颜色较深的人需要更多的防晒保护。
人眼由视网膜中的两种光和颜色感受器组成。圆柱形细胞是眼睛的感光器，具有黑白视觉，并根据从环境中接收到的光量确定物体的暗度和亮度。圆柱形细胞的数量超过颜色感受器的数量，达到约1.2亿个；数量少于光感受器的视锥细胞具有色觉并分为三个不同的类别，每个类别识别蓝色、红色和绿色中的一种，从而使个体能够区分颜色。