甲基橙的变色反应原理主要与其结构中的酸性黄和钠盐有关。
甲基橙是酸碱指示剂，由对氨基苯磺酸重氮盐与N,N-二甲基苯胺的醋酸盐在弱酸性介质中偶合得到。偶合首先得到的是亮红色的酸式甲基橙，称为酸性黄，其浓度大的时候呈深紫色。
在碱中，酸性黄转变为橙黄色的钠盐，即甲基橙。这个转变过程可以表示为：-O3S-Ph-N+(H）=N-Ph-N(CH3)2（酸性黄）转化为NaO3S-Ph-N=N-Ph-N(CH3)2（甲基橙）。
其中Ph为苯基，2个都是对位取代。甲基橙的颜色变化是因为酸式和碱式两种结构的共轭形式不同，对可见光的吸收频率不同而至。