Los camaleones varían grandemente en tamaño, desde los pequeños camaleones de la familia Brookesia los cuales tienen como 10cm de largo hasta los grandes de 60 cm Calumna parsonii. La especie más pequeña vive en el monte Mulanje en Malawi es el Brookesia minima y en su fase adulta difícilmente supera el centímetro y medio. Muchos de ellos tienen adornos en la cabeza o en la cara como protuberancias nasales e incluso cuernos como en el caso del Chamaeleo jacksonii o largas crestas en la parte superior de la cabeza como el Chamaeleo calyptratus. Muchas especies presentan dimorfismo sexual y los machos suelen estar más adornados que sus pares femeninas.

Las características principales que son compartidas por toda la familia son la estructura de sus patas, los ojos, la falta de oído y la lengua.

La familia tiene cada pata divida en dos "dedos" principales con un suave recubrimiento al centro. Estos dedos están equipados con fuertes garras que le dan tracción para trepar en troncos y ramas. Algo interesante en los camaleones es que ellos tienen dos garras en la parte exterior y tres en la parte interior en las patas delanteras. En cambio, en la patas traseras la disposición de los dedos en contraria a la de las patas delanteras.

Los ojos es lo que más los distingue entre los reptiles. Cada ojo está recubierto por un párpado que deja libre sólo una pequeña área circular en el centro, la correspondiente al iris y la pupila. Pueden mover sus ojos, grandes y globosos, independientemente, lo cual les brinda una visión de 360º alrededor de su cuerpo. Cuando la presa es localizada ambos ojos pueden enfocarse en la misma dirección dandoles una visión estereoscópica y una percepción de profundidad.

Los camaleones no poseen órgano de Jacobson y como las serpientes no poseen oído externo u oído medio y al parecer son sordos; al menos, ellos no pueden detectar las vibraciones que viajan por el aire.

Se mueven con extrema lentitud. Para atrapar a su presa utilizan la lengua, la cual puede ser extremadamente larga y que muchas veces supera en longitud a su propio cuerpo. Consiguen lanzar su larguísima lengua como un proyectil, con una velocidad y distancia sorprendentes, hasta casi un metro en algunas especies. Con su punta pegajosa atrapan los pequeños animales, principalmente insectos, de los que se alimentan, ingiriéndolos inmediatamente enteros, como es común en los reptiles. Sólo con la ayuda de la fotografías de alta velocidad es posible observar ese proceso en detalle.

Su piel es rica en queratina, lo que presenta una serie de ventajas (en especial, la resistencia), pero que, lo mismo que en otros reptiles, exige mudas periódicas como única forma de restaurarla.