Muchas de estas criaturas tienen la piel recubierta de unas células -cromatóforos- que contienen un pigmento especial. Mediante el control dinámico del tamaño de dichas células, el animal puede cambiar de color e incluso crear patrones de color cambiantes. Los cromatóforos están conectados con el sistema nervioso y su tamaño está controlado por contracciones musculares.
Los cefalópodos tienen una visión extremadamente desarrollada; se cree que pueden determinar el color y la intensidad de la luz. Usando su excelente vista y los cromatóforos, los cefalópodos pueden camuflarse perfectamente creando patrones de color que son muy parecidos a los del fondo marino circundante. Este cambio de color también ocurre cuando el animal es molestado o se siente amenazado; reflejan en cierta manera el "humor" del individuo.
El color de la piel también es usado en la reproducción; en nuestros mares es bastante fácil observar los patrones "cebrados" de las sepias macho cuando están cortejando a una hembra.Además del control de color, muchos cefalópodos generan luz propia y pueden controlar su intensidad a voluntad. La luz generada por medios biológicos se denomina "bioluminiscencia" y los organismos marinos la usan con fines muy variados.
Algunas criaturas se cree que usan la bioluminiscencia para confundir o ahuyentar a sus predadores, otras pueden llegar a atontar a sus presas mediante un destello que las desconcierta y anula sus defensas. Otras especies usan esta luz biológica como cebo para atraer a los incautos. La bioluminiscencia también es un método para comunicarse en la penumbra o en la oscuridad de los grandes fondos oceánicos.
Los cefalópodos, al igual que otras criaturas marinas, generan luz al mezclar dos substancias que combinadas dan un compuesto que emite luz, un mecanismo similar al que usan las luciérnagas o al que se usa en los "light sticks" que llevan algunos buceadores en sus inmersiones nocturnas. Para conseguir que un "light stick" se encienda, normalmente hay que doblarlo, lo que rompe una cápsula de vidrio que hay en el interior, y hace que dos compuestos químicos se mezclen y reaccionen, generando una tercera substancia que es la que emite propiamente la luz.
Este mismo proceso es el que esencialmente ocurre en los "fotocitos" -las células generadoras de luz- y en los "fotóforos" -órganos generadores de luz- de los organismos vivos. Una substancia llamada luciferina reacciona con oxígeno en presencia de un enzima, la luciferasa. Entonces se produce la reacción química que da como resultado una nueva molécula que, en los animales oceánicos suele emitir luz de color azul o verde.
En algunos organismos, los fotóforos son simples parábolas glandulares; en otros son complejos dispositivos con lentes biológicas que les permiten enfocar la luz, con filtros de color variables o incluso un obturador ajustable que sirve como interruptor para encender y apagar la luz rápidamente y a voluntad.
Esta sepia, retratada durante una inmersión nocturna, tiene toda laparte inferior del cuerpo iluminada por bioluminiscencia. En una noche oscura se supone que la iluminación de su cuerpo atrae a algunas de sus pequeñas presas, lo que le evita la tarea de localizarlas y es, por tanto, rentable para este insaciable cazador.Los cefalópodos tienen a la vez fotóforos y cromatóforos en su piel y pueden controlar tanto el color como la intensidad de la luz que generan. Algunas investigaciones han desvelado que, en algunos calamares y peces, la bioluminiscencia puede ser producida por una bacteria que vive en el interior de los tejidos bioluminiscentes del animal.
Bioluminescencia de una medusa 
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