צבע העיניים, בדומה לצבע העור והשיער, נקבע על פי המוצא האתני והצירוף הגנטי. קשתית העין, הממוקמת בין הקרנית ובין העדשה הפנימית, היא שמעניקה לעין את צבעה הודות לפיגמנט חום המכונה מלנין. קשתית העין מכילה פיגמנט בצדה הפנימי ובצדה החיצוני – החלק הפנימי מכיל פיגמנט חום והחלק החיצוני מכיל פיגמנט בגוון משתנה, בהתאם לריכוז המלנין. על פי הצירוף הגנטי של העיניים נקבעת כמות המלנין בקשתית העין. ככל שכמות המלנין גדולה יותר, כך העין תהיה כהה יותר. רוב התינוקות נולדים כשצבע עיניהם כחול-אפור, וזאת משום שטרם החל ייצור המלנין בקשתית. לקראת גיל שנה צבע העיניים מתגבש סופית לצירוף של שלושת הצבעים הבסיסיים – חום, כחול וירוק, ושל שבעה גווני ביניים, ביניהם חום-כחול וכחול-ירוק. נוסף על כך, קיימים גנים נוספים של גוונים כגון גוון חום נוסף וגוון חום-צהוב. עיניים שצבען ירוק מלא או כחול מלא הן הנדירות ביותר.
לעתים פגם גנטי מוביל להתפתחותן של עיניים בריאות שצבען אינו זהה. יש מקרים שבהם צבע העיניים משתנה במהלך החיים עקב מחלות שונות, נטילת תרופות או פגיעה במערכת העצבים הסימפתית. האישון, הממוקם במרכז הקשתית, משתתף בוויסות כמות האור החודרת לעין. המלנין המצוי בקשתית משמש כווסת לחדירת קרני השמש. ככל שהעין בהירה יותר חודרות יותר קרניים ולכן עיניים בהירות רגישות יותר לשמש מעיניים כהות. אם כמות הפיגמנט מועטה יש השתקפות של כלי הדם בקשתית. במקרים אלה החזר האור מהרשתית, העשירה בכלי דם, יוצר גוון אדמדם. זו הסיבה לרפלקס האדום באישון בתצלומים. היעדר מוחלט של פיגמנט הוא לבקנות, שהיא מחלה על רקע גנטי. במקרים אלה צבע העיניים המשתקף הוא ורוד-אדום.
מבחינה גנטית אין חלוקה דיכוטומית לצבעי העיניים על פי שיוך אתני. עם זאת, צבע עיניים חום למשל שכיח יותר בקרב מזרחיים לעומת אשכנזים. ידוע כי בארצות חמות המבורכות בשמש, לרוב האנשים צבע עיניים כהה יותר, וכאמור צבע קשתית כהה משמש כווסת לקרני האור המגיעות לעין. לעומת זאת, בארצות קרות יותר, שבהן אין שמש ישירה, לרוב האנשים צבע עיניים בהיר.