När fenolftalein läggs till en bas genomgår den en färgförändring från färglös till rosa. Detta beror på att fenolftalein är en svag syra som donerar en proton (H+) i sura lösningar, vilket resulterar i en färglös lösning. Men i basiska lösningar reagerar hydroxidjonerna (OH-) från basen med det protonerade fenolftaleinet, vilket gör att det förlorar sin proton och bildar fenolftaleinanjonen. Denna anjon är ansvarig för den rosa färg som observeras i basiska lösningar.

Den kemiska reaktionen som äger rum kan representeras enligt följande:

HIn (färglös) + OH- (bas) → In- (rosa) + H2O

Där HIn representerar det protonerade fenolftaleinet och In- representerar fenolftaleinanjonen.

Färgförändringen av fenolftalein är reversibel, vilket innebär att den kan ändras tillbaka till färglös om lösningens pH sänks igen genom att tillsätta en syra. Denna egenskap gör fenolftalein till en användbar indikator för syra-bastitrering, där den används för att signalera ekvivalenspunkten, eller punkten där syran och basen har reagerat fullständigt.