Большинство видов имеют длину тела 25-35 см, наиболее крупные достигают 50-60 см, самые мелкие — 3-5 см. Ноги длинные, своеобразно приспособленные лазанью. Пальцы срастаются в две противополагающийся друг другу группы и имеют вид «клешней», которые могут плотно обхватывать ветви дерева. Длинный цепкий хвост также используется при лазанье.

Хамелеоны имеют необычные органы зрения. Веки животных сросшиеся, постоянно покрывающие глаз, но имеющие отверстие для зрачка. Движения левого и правого глаз могут осуществляться несогласованно, что имеет важное значение при ловле насекомых.

Окраска тела меняется в результате перераспределения пигментов кожи под влиянием света, температуры, испуга животного, настроения и тому подобное.

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, 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.

Традиционно считалось, что хамелеоны изменяют окраску тела для мимикрии под окружающие их ветки или траву. Исследуя пестрого горного хамелеона (род Bradypodion), обитающего в Северной Африке ученые пришли к выводу, что хамелеоны используют изменение цвета в первую очередь для коммуникации с представителями своего вида, а не для защиты от хищников.