Большинство видов имеет длину тела 30 см, наиболее крупные достигают 50—60 см, самые мелкие — 3—5 см.

Голова шлемообразная, с заметно приподнятой затылочной областью. Часто украшена более или менее выпуклыми гребнями, буграми или вытянутыми, заострёнными рогами. В большинстве случаев все эти образования развиты у самцов, а у самок носят зачаточные формы.

Ноги длинные, своеобразно приспособленные к лазанью. Пальцы срастаются в две противополагающиеся друг другу группы по 2 и 3 и имеют вид «клешней», которые могут плотно обхватывать ветви дерева. Хвост толстый у основания, постепенно сужается к концу, может спирально закручиваться вниз и обвиваться вокруг ветвей. Данной способностью обладают большинство представителей семейства за исключением сравнительно небольшого числа видов с коротким хвостом. Хамелеоны имеют необычные органы зрения. Веки животных сросшиеся, постоянно покрывающие глаз, но имеющие отверстие для зрачка. Движения левого и правого глаза могут осуществляться несогласованно, что имеет важное значение при ловле насекомых, но перед атакой хамелеон поворачивает оба глаза на добычу. Хамелеоны обладают круговым обзором.

Во время охоты хамелеоны, как правило, длительное время сидят на ветвях деревьев. Тело животного при этом остаётся неподвижным, а глаза постоянно двигаются (но иногда хамелеоны медленно подкрадываются к добыче). Насекомых ловят языком с ловчей присоской на конце, процесс выбрасывания которого длится около 1/20 секунды, а вместе с возвратом в исходное положение — не более полусекунды. За три секунды хамелеон может распознать и поймать до четырёх насекомых[4]. В «нерабочем» положении язык удерживается на подъязычной кости, имеющей у хамелеонов отличия от других животных. Иногда добыча оказывается слишком тяжёлой, чтобы удержаться языком; в последующие разы хамелеон хватает добычу такого размера ртом.

Хамелеоны не просто хищники, а хищники-каннибалы. Более мелкие виды, как и собственные детёныши хамелеонов часто становятся добычей рептилий.

Широкую известность имеет свойственная всем хамелеонам способность изменять окраску и рисунок тела. Изменение окраски связано с особенностями строения кожного покрова. В наружном волокнистом и более глубоком слое кожи находятся особые разветвлённые клетки — хроматофоры, содержащие зёрна различных пигментов: чёрного, тёмно-коричневого, красноватого и жёлтого цветов. При сокращении отростков хроматофоров зёрна пигментов перераспределяются, и их наибольшая концентрация приходится на центр клеток, при этом кожа самой ящерицы приобретает беловатый или жёлтый окрас. При сосредоточивании тёмного пигмента в волокнистом слое кожи она, соответственно, приобретает тёмную окраску. Сочетание пигментов обоих слоёв приводит к появлению различных цветовых оттенков. Зелёные цвета окраски появляются дополнительно в результате преломления лучей света в поверхностном слое кожи, содержащем кристаллы гуанина.

В результате таких особенностей окраска хамелеонов может быстро изменяться от светлой — беловатой и оранжевой, через жёлтую и зелёную до пурпурной, а затем — полностью чёрной или тёмно-коричневой. Данные изменения окраски могут происходить как на всём теле животного, так и на его отдельных участках, сопровождаясь появлением и исчезновением различного рода полос и пятен.