人類的頭髮結構可以分為這三個部分：表皮層、皮質層、髓質層。表皮層呈現出毛鱗片狀，對頭髮起保護作用，頭髮的粗硬和光澤取決於這一層，遇到熱，遇到鹼，毛鱗片會張開。皮質層是毛髮的主體，約佔頭髮的80%，由角蛋白組成，呈纖維狀，裡面含有大量的黑色素顆粒，皮質層反映出頭髮的顏色，染髮就是在這一層起作。

化學染髮就是一個氧化還原的過程。平常所用的染髮劑，裡面含有強鹼，頭髮的表皮層遇到鹼，毛鱗片會張開，讓含有染料的中間體和偶合劑滲透進入頭髮的皮質層，發生氧化反應、偶合和縮合反應，形成較大的有色染料分子，被封閉在頭髮纖維內。這樣顏色就附著在頭髮裡面了。化學染髮產品中有一個重要成分就是對苯二胺，這是一種最有效的著色劑，它對毛髮中的角蛋白有極強的親和力，由於對苯二胺既能溶於水，又能溶於油，含有對苯二胺的染髮劑著色更快、固色持久，但有致癌風險，不建議長期使用。

化學染髮的過程中，頭皮也會受到化學藥水的侵蝕，對頭皮產生一系列的刺激和灼燒感，輕者只會感到頭皮瘙癢、刺痛，重者則會引起頭皮紅腫、流水流膿或面部面板紅腫，所以化學染髮，對髮廊燙染師的技術提出了更高的要求。化學染髮時，藥膏必須距離髮根1cm以上。