Die Farbe eines Werkstoffs ist eine makroskopische Manifestation seiner elektronischen und strukturellen Eigenschaften. Physikalisch ergibt sich Farbe aus der spektralen Verteilung von Reflexion, Transmission und Absorption elektromagnetischer Strahlung im sichtbaren Bereich (ca. 380–780 nm). Für Wissenschaftler sind daher sowohl spektrale Kennwerte als auch wahrnehmungsbezogene Farbräume relevant.

Elektronische Übergänge in Atomen, Ionen und Bändern (z. B. d–d‑Übergänge in Übergangsmetalloxiden, Band‑Band‑Übergänge in Halbleitern) führen zu selektiver Absorption. Defekte, Dotierungen und Valenzzustände beeinflussen diese Übergänge und damit Farbton und Sättigung. Klassische Pigmentfarben beruhen überwiegend auf solchen elektronischen Mechanismen.

Daneben spielen Strukturfarben eine zentrale Rolle. Periodische Strukturen im Nano- bis Mikrometerbereich erzeugen durch Interferenz, Beugung und Streuung sogenannte Interferenzfarben, häufig mit starker Winkelabhängigkeit (chromatische Änderung). Beispiele sind dünne Oxidschichten auf Metallen, Mehrschichtsysteme oder photonische Kristalle. Hier ist die Farbe primär eine Funktion geometrischer Parameter (Periodizität, Schichtdicken, Brechungsindizes) und weniger der chemischen Zusammensetzung.

Für die quantitative Beschreibung werden spektrale Reflexions-/Transmissionskurven in Farbraumsysteme wie CIE‑XYZ oder CIELAB transformiert. In der Werkstoffentwicklung dienen Farbmessungen u. a. zur Prozesskontrolle (z. B. Oxidschichtdicke), zur Bewertung von Alterung und Korrosion sowie beim Design funktionaler Oberflächen (z. B. wärmereflektierende oder sensorische Farbschichten).