เส้นผมประกอบด้วย เคราติน เป็นส่วนใหญ่ ซึ่งเป็นโปรตีนชนิดเดียวกับที่พบในผิวหนังและเล็บ สีธรรมชาติของเส้นผมขึ้นอยู่กับอัตราส่วนและปริมาณของโปรตีนอีกสองชนิด ได้แก่:

• ยูเมลานิน (Eumelanin): โปรตีนที่มีสีผมตั้งแต่สีน้ำตาลไปจนถึงสีดำ
• ฟีโอเมลานิน (Phaeomelanin): โปรตีนที่มีสีผมตั้งแต่สีบลอนด์ทอง สีส้ม และสีแดง

การไม่มีเมลานินทั้งสองประเภททำให้ผมเป็นสีขาวหรือสีเทา

ผู้คนย้อมผมด้วยพืชและแร่ธาตุมาเป็นเวลานับพันปีแล้ว สารจากธรรมชาติบางชนิดมีเม็ดสี (เช่น เฮนน่า เปลือกวอลนัทดำ) ในขณะที่สารบางชนิดมีสารฟอกสีจากธรรมชาติหรือทำให้เกิดปฏิกิริยาที่เปลี่ยนสีผม เช่น น้ำส้มสายชู ทว่าสารย้อมจากธรรมชาติไม่ได้ปลอดภัยหรืออ่อนโยนกว่าผลิตภัณฑ์สมัยใหม่เสมอไป และการจะได้ผลลัพธ์ที่สม่ำเสมอนั้นทำได้ยากกว่า

สีผมชั่วคราวหรือกึ่งถาวรจะเคลือบเม็ดสีไว้ที่ด้านนอกของแกนผม หรือแทรกซึมเข้าไปโดยใช้เปอร์ออกไซด์ในปริมาณเล็กน้อยหรือไม่มีเลย ผลิตภัณฑ์เหล่านี้ไม่มีแอมโมเนีย ทำให้แกนผมไม่เปิดออกระหว่างทำสี สีผมธรรมชาติจะยังคงอยู่เมื่อล้างสีออกหมด

สารฟอกสีผมจะทำปฏิกิริยา ออกซิไดซ์ กับโมเลกุลเมลานิน ทำให้เม็ดสีจางลงอย่างไม่สามารถย้อนกลับได้ ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์เป็นสารที่พบได้บ่อยที่สุด โดยมักใช้ในสารละลายด่างเพื่อเปิดแกนผมให้เปอร์ออกไซด์เข้าไปทำปฏิกิริยากับเมลานินได้โดยตรง

ต้องเปิดชั้นนอกของเส้นผม (Cuticle) ออกก่อน ผลิตภัณฑ์ย้อมผมถาวรส่วนใหญ่มี 2 ขั้นตอนสำคัญ:

• แอมโมเนีย: มีฤทธิ์เป็นด่างเพื่อเปิดหนังกำพร้าและเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา
• เปอร์ออกไซด์: ทำหน้าที่เป็นสารออกซิไดซ์ ขจัดสีเดิมออกและเชื่อมสีใหม่เข้ากับคอร์เทกซ์ของเส้นผม

หลังทำสี ครีมนวดผมในผลิตภัณฑ์จะช่วยปิดเกล็ดผมเพื่อกักเก็บและปกป้องสีผมใหม่