血紅素呈現(xiàn)紅色主要與其分子結(jié)構(gòu)中的卟啉環(huán)和鐵離子結(jié)合有關(guān)。血紅素是血紅蛋白的核心成分，由卟啉環(huán)與二價鐵離子結(jié)合形成，這種特殊結(jié)構(gòu)能選擇性吸收藍綠色光波而反射紅色光波，使血液呈現(xiàn)紅色。

血紅素的卟啉環(huán)由四個吡咯環(huán)通過亞甲基橋連接構(gòu)成平面結(jié)構(gòu)，中心位置通過配位鍵與鐵離子結(jié)合。鐵離子在氧合狀態(tài)下為二價鐵，與氧氣結(jié)合時電子躍遷會改變光吸收特性，使氧合血紅蛋白呈現(xiàn)鮮紅色。當血紅蛋白釋放氧氣后，鐵離子構(gòu)象變化導(dǎo)致脫氧血紅蛋白呈現(xiàn)暗紅色。這種顏色差異是動脈血和靜脈血顏色不同的根本原因。卟啉環(huán)的共軛雙鍵系統(tǒng)能夠吸收可見光中特定波長的光線，未被吸收的紅色光波被反射至人眼，形成視覺上的紅色。某些病理狀態(tài)下如高鐵血紅蛋白血癥，鐵離子氧化為三價鐵會導(dǎo)致血液呈現(xiàn)棕褐色。

血紅素的紅色特性具有重要生理意義。通過顏色變化可直觀判斷血液氧合狀態(tài)，為臨床診斷提供依據(jù)。在進化過程中，紅色成為氧運輸系統(tǒng)的視覺標志，有助于生物快速識別血液循環(huán)狀態(tài)。血紅素衍生物如膽紅素、膽綠素也因結(jié)構(gòu)差異呈現(xiàn)不同顏色，共同構(gòu)成生物體內(nèi)重要的色素代謝體系。