Het limoneenmolecuul bestaat uit tien koolstof- en zestien waterstofatomen bij een molmassa van 136,23 g/mol; de ring draagt een methylgroep en een isopropenylgroep, vandaar de systematische naam 1-methyl-4-isopropenylcyclohexeen. Het molecuul is chiraal, en de meeste biologische bronnen vormen slechts een van de twee enantiomeren, in citrusschillen bijna altijd de (R)-vorm. Beide vormen verschillen in geur en in draaiingshoek, niet in brutoformule. De twee dubbele bindingen zijn de chemische sleutel tot alles wat limoneen in producten en op de huid doet.
Het mechanisme achter de geur is fysisch: limoneen is vluchtig en verdampt van de huid of uit het product, waardoor de reukcellen worden aangesproken. Als oplosmiddel werkt het omdat het als apolaire koolwaterstof vetten en oliën aanlost, wat reinigingsmiddelen en formuleerders evenzeer benutten. De reactiviteit van de twee dubbele bindingen maakt limoneen bovendien tot grondstof voor carvon en terpineol, voor polylimoneencarbonaat met polystyreenachtige eigenschappen en voor synthetische THC (dronabinol). Buiten de chemie dient de D-vorm als plantaardig insecticide en in organische herbiciden. Op de huid komt het penetratieversterkende effect erbij, dat Paula's Choice noemt als reden tot voorzichtigheid.
Voor de verdraagzaamheid is de auto-oxidatie doorslaggevend. Aan vochtige lucht reageert limoneen met zuurstof tot carveol, carvon en limoneenoxide; de Duitse Wikipedia noemt de verbinding licht-, lucht-, warmte-, alkali- en zuurgevoelig. Deze oxidatieproducten, en niet het verse limoneen, gelden als de eigenlijke allergieveroorzakers. Een onderzoeksgroep van de Universiteit van Göteborg toonde in 2008 aan dat niet-geoxideerd limoneen slechts zeer zwak sensibiliserend werkt, terwijl de bij luchtcontact gevormde hydroperoxiden duidelijk sterker reageren; daaronder viel limoneen-1-hydroperoxide op als bijzonder krachtige veroorzaker, en de auteurs voeren dat terug op zuurstofgecentreerde radicalen die hapteen-eiwitcomplexen vormen. Daaruit volgt dat leeftijd en bewaaromstandigheden van een product mede bepalend zijn voor de verdraagzaamheid. Gedocumenteerd is ook dat de bacterie Pseudomonas putida limoneen tot perillazuur kan oxideren, een natuurlijk conserveermiddel voor cosmetica, waarvan de biotechnologische productie in 2010 op laboratoriumschaal werd verbeterd.
Over de evidentie: voor het cosmetische gebruik waren er geen klinische studies bij de mens die een verzorgend nut van limoneen op de huid aantonen; de vakliteratuur over de stof houdt zich bezig met zijn veiligheid. Een Koreaanse risicobeoordeling uit 2013 leidde uit diergegevens een grenswaarde zonder waargenomen bijwerking van 250 mg per kilogram per dag af, zette die tegenover een geschatte systemische blootstelling van 1,48 mg per kilogram per dag en kwam op een veiligheidsmarge van 169; de auteurs achten het gebruik in cosmetica onder de geldende voorschriften veilig, maar zien vanwege de mogelijke huidirritatie regulering als noodzakelijk. Een Europees review uit 2022 meldt dat limoneenhydroperoxiden in epicutane testreeksen vaak positieve reacties veroorzaken, maar dat sommige daarvan moeilijk van irritatiereacties te onderscheiden zijn, en bespreekt de opname van 0,3 procent limoneenhydroperoxiden in de standaardtestreeks. Beweringen zoals antioxidatieve bescherming tegen huidveroudering zijn vooral in adviesteksten te vinden; Paula's Choice noemt weliswaar antioxidatieve eigenschappen, maar koppelt die aan de opmerking dat de vluchtige verbindingen aan de lucht oxideren en dan sensibiliserend werken. Betrouwbaar zijn daarentegen de chemische basisgegevens, de regulatoire status als vermeldingsplichtig geurstofallergeen en de indeling van R-(+)-limoneen als niet-carcinogeen voor de mens. Wie limoneen als werkstof beoordeelt, beoordeelt dus een geurstof: zijn nut is sensorisch, zijn risico is een contactallergie bij gesensibiliseerde personen.