Astaxanthin gehört chemisch zu den Xanthophyllen, einer Untergruppe der Carotinoide. Zwei polare Endgruppen unterscheiden seine Struktur von Beta-Carotin und Lutein. Anders als Beta-Carotin besitzt es keine Provitamin-A-Aktivität.
In der Natur stammt es aus Mikroalgen. Haematococcus pluvialis bildet es, wenn Nährstoffe knapp werden oder die Sonneneinstrahlung zunimmt – die Zellen verfärben sich dabei von grün nach tiefrot. Lachs, Forelle, Garnelen und Flamingos erhalten ihre Färbung über die Nahrungskette.