Karotenoidpigmente leidub igasugustes taimedes ning need neelavad energiat ja kaitsevad fotosünteesi käigus valguse kahjustuste eest. Kas punase või kollase värvusega karotenoidid on nähtavad, kui klorofüll, aine, mis muudab valguse energiaks taimedes ja teatud bakterites, on ammendunud. Värvid, milleks puulehed sügisel muutuvad, on tingitud karotenoidpigmentide kokkupuutest. Nendel pigmentidel on ka antioksüdante ning karotenoidide tarbimine võib kaitsta inimeste ja teiste liikide südamehaiguste ja vähi eest.
Molekulaarselt on enamikul nendes protsessides osalevatest karotenoididest süsivesinike karkass. Selle selgroo pikkuses on kolm kuni 15 kaksiksidet ja sidemete arv on otseselt seotud spektri osaga, mida karotenoid suudab töödelda. Tavaliselt neelavad need molekulid 400–500 nanomeetrit (nm) valgust. Fütoeen on esimene tüüp, mida toodetakse erinevate molekulaarsete komponentide kokkupanemisel ja see on teiste karotenoidide moodustamisel kriitilise tähtsusega. Põhipigmente saab biosünteesida muudeks ühenditeks, nagu beetakaroteen ja lükopeen.
Karotenoidid mängivad olulist kaitsvat rolli, kuna nad blokeerivad hapnikuosakeste ja radikaalide mõju valguse ja valgustundlikkust suurendavate ainete, näiteks klorofülli, koosmõjul. Kiirgusenergia kantakse karotenoidpigmentide abil üksikutele klorofülli molekulidele, samas kui liigne energia hajub osana ksantofülli tsüklist osades taimedes ja vetikates. Reguleerida saab ka aktiivsesse olekusse jäävaid klorofülli molekule. Molekulaarsel tasandil aitavad karotenoidid siduda fotosünteetiliste pigmentvalkude molekule.
Taimsete organismide tarbimine viib lõhe, krevettide, homaaride ja olendite karotenoidpigmentide metaboolsele töötlemisele. Selliste kalade ja koorikloomade värvus tuleneb nende söödavas toidus leiduvatest pigmentidest. Näiteks krevette sööv metsik lõhe on palju punasemat värvi kui farmides toodetud lõhe. Looduslikult on karotenoide raske koristada, kuid geenitehnoloogia muudab väljavaated optimistlikumaks. Keemiliselt sünteesitud pigmendid ei anna sama tulemust kui looduslikud.
Taimedes, bakterites, seentes ja vetikates leidub mitmesuguseid karotenoide. Fütoeen on üks pigmendi vorme, mida saab metaboliseerida beetakaroteeniks, mida koos teiste ühenditega kasutatakse imetajatel A-vitamiini ja võrkkesta vedeliku tootmiseks. Fotosünteesi omadused ja mõju inimeste tervisele muudavad karotenoidpigmendid üheks olulisemaks bioloogiliseks elemendiks looduses.