단풍은 식물의 잎에서 생리적 변화가 일어나 녹색의 잎이 적색, 황색, 갈색 등으로 변하는 현상이다. 이처럼 다양한 색깔이 나타나는 것은 잎 속에 존재하는 색소가 다르기 때문이다.
가을이 돼 기온이 내려가면 나무는 낙엽으로 잎을 떨어뜨려 건조한 기후와 추위에 견디기 위해 잎자루에 떨켜층을 만든다.
이 때문에 잎에서 광합성으로 만들어진 탄수화물이나 아미노산이 줄기로 이동하지 못하고 잎에 축적돼 색소로 변하면서 색깔이 나타나고 결국은 낙엽으로 떨어져 생을 마감한다.

붉은 잎은 녹색을 띠는 색소인 클로로필이 분해돼 붉은색 색소인 안토시아닌이 형성되면서 생기고, 노란 잎은 카로티노이드 색소에 의해 나타난다.
카로티노이드 색소는 봄에 클로로필과 함께 만들어져 잎 속에 들어 있지만, 그 양이 적어 녹색에 가려있다가 가을에 클로로필이 분해되면 가려져 있던 노란색이 모습을 드러내는 것이다. 갈색 잎은 탄닌성 물질에 의해서 나타난다.

단풍이 드는 나무들은 모두 가을에 잎이 떨어지는 낙엽수들인데, 이와는 달리 사철 내내 푸른 상록수들은 낙엽수에 비해 잎이 두껍고 질겨 춥고 건조한 겨울을 무사히 지낼 수 있기에 낙엽을 만들지 않는다.