Pigmen karotenoid ditemukan di semua jenis tanaman, dan mereka menyerap energi dan melindungi dari kerusakan akibat cahaya saat fotosintesis berlangsung. Berwarna merah atau kuning, karotenoid terlihat ketika klorofil, zat yang mengubah cahaya menjadi energi pada tumbuhan dan bakteri tertentu, habis. Warna daun pohon berubah menjadi musim gugur karena paparan pigmen karotenoid. Pigmen ini juga memiliki antioksidan, dan konsumsi karotenoid dapat melindungi terhadap penyakit jantung dan kanker pada manusia dan spesies lainnya.
Secara molekuler, sebagian besar karotenoid yang terlibat dalam proses ini memiliki tulang punggung hidrokarbon. Antara tiga dan 15 ikatan rangkap terdapat di sepanjang tulang punggung ini, dan jumlah ikatan memiliki hubungan langsung dengan bagian spektrum yang dapat diproses oleh karotenoid. Cahaya antara 400 dan 500 nanometer (nm) biasanya diserap oleh molekul-molekul ini. Fitoena adalah jenis pertama yang dihasilkan dari perakitan berbagai komponen molekul, dan sangat penting dalam pembentukan karotenoid lainnya. Pigmen dasar dapat dibiosintesis menjadi senyawa lain, seperti beta karoten dan likopen.
Karotenoid memainkan peran protektif yang signifikan karena mereka memblokir efek partikel oksigen dan radikal ketika cahaya dan fotosensitizer seperti klorofil berinteraksi. Energi radiasi ditransfer oleh pigmen karotenoid ke molekul klorofil individu, sementara energi berlebih dihamburkan sebagai bagian dari siklus xantofil di beberapa tanaman dan ganggang. Molekul klorofil yang tetap dalam keadaan aktif dapat diatur juga. Pada tingkat molekuler, karotenoid membantu mengikat molekul protein pigmen fotosintesis.
Konsumsi organisme nabati mengarah pada pemrosesan metabolisme pigmen karotenoid pada salmon, udang, lobster, dan makhluk hidup. Pewarnaan ikan dan krustasea tersebut berasal dari pigmen yang ditemukan dalam makanan yang mereka makan. Misalnya, salmon liar yang memakan udang berwarna jauh lebih merah daripada salmon yang diproduksi di peternakan. Sulit untuk memanen karotenoid secara alami, tetapi rekayasa genetika membuat prospeknya lebih optimis. Pigmen yang disintesis secara kimia tidak memberikan hasil yang sama seperti pigmen alami.
Berbagai macam karotenoid terdapat pada tumbuhan, bakteri, jamur, dan alga. Fitoena merupakan salah satu bentuk pigmen yang dapat dimetabolisme menjadi beta karoten yang bersama dengan senyawa lain digunakan untuk memproduksi vitamin A serta cairan retina pada mamalia. Sifat fotosintesis dan dampaknya terhadap kesehatan manusia menjadikan pigmen karotenoid sebagai salah satu elemen biologis terpenting di alam.