Bij het karamelliseren veranderen suikers chemisch door verhitting. De onderliggende processen omvatten onder meer oxidatie, condensatie, polymerisatie en herschikkingen; deze kunnen deels gelijktijdig plaatsvinden. Bij sacharose vindt bovendien inversie plaats en verliezen de koolhydraten water. Omdat er niet slechts één reactie plaatsvindt, verandert het ontstane materiaal naargelang het verloop van de verhitting.
Tot de reactieproducten behoren verschillende polymeren, ketonen en aldehyden. Een deel daarvan draagt bij aan de bruine kleur en de bitterdere smaak van sterker verhitte karamel. Kenmerkende geurnoten worden onder meer in verband gebracht met dihydrofuranonen, cyclopentenolonen, cyclohexenolonen en pyronen. Maltol wordt genoemd als voorbeeld van zo'n pyron.
De belangrijkste beschreven functie in cosmetische formules is het kleuren van het product of van de huid, nagels of het haar. Daarnaast wordt Caramel vermeld als hulpstof in parfumoliën en aroma's. Deze functies moeten worden onderscheiden van het chemische ontstaan van de grondstof: het kleureffect in de formule is het cosmetische gebruiksdoel, terwijl de stoffen die tijdens het verhitten ontstaan de samenstelling van karamel verklaren. De INCI-benaming alleen geeft geen informatie over de exacte kleur van een afgewerkte formule.
De aangeleverde abstracts bevatten geen onderzoeksresultaten over cosmetische voordelen naast de genoemde kleur- en hulpfunctie. De chemische beschrijving verklaart hoe een complex mengsel ontstaat, niet hoe het op de huid of het haar werkt. Ook kan uit de processen tijdens het verhitten geen huidverzorgende werking worden afgeleid. Uitspraken over zo'n werking mogen daarom niet gelijkgesteld worden aan de onderbouwde functies als kleurstof en hulpstof in parfumoliën.