虾青素分子结构中的发色团在紫外-可见光区有独特的吸收区，因此其结晶或溶液在可见光下呈紫红色。虾青素主要以游离态和酯化态形式存在。游离态虾青素极不稳定，易被氧化，通常化学合成的虾青素为游离态形式。酯化态虾青素是由于虾青素末端环状结构中各有一个羟基易于与脂肪酸形成酯而稳定存在，水生动物皮肤和外壳上的虾青素以脂化态形式为主，肉及内脏上则以游离形式为主，红酵母、雨生红球藻中虾青素主要以酯化形式存在，酯化态虾青素根据其结合的脂肪酸不同分为虾青素单酯和虾青素二酯。虾青素酯化后，其疏水性增强，且双酯比单酯的亲脂性强；虾青素酯化态，或与蛋白质形成复合物，会产生不同的颜色。

虾青素有两个手性中心它们是分子中两端环结构的C-3和C-3′。一个手性中心可以有两种构象，虾青素的两手性碳原子C3、C3′都能以R或S的形式存在，这样就有3种立体异构体，3S，3'S与3R，3'R异构体互为镜像(对映体)，每一对映体有着相反的旋光性，能使平偏振光向左或向右旋转，3R，3'S无旋光性。