Wanneer fenolftaleïne aan een basis wordt toegevoegd, ondergaat deze een kleurverandering van kleurloos naar roze. Dit komt omdat fenolftaleïne een zwak zuur is dat een proton (H+) afstaat in zure oplossingen, wat resulteert in een kleurloze oplossing. In basische oplossingen reageren de hydroxide-ionen (OH-) uit de base echter met het geprotoneerde fenolftaleïne, waardoor het zijn proton verliest en het fenolftaleïne-anion vormt. Dit anion is verantwoordelijk voor de roze kleur die wordt waargenomen in basische oplossingen.

De chemische reactie die plaatsvindt, kan als volgt worden weergegeven:

HIn (kleurloos) + OH- (basis) → In- (roze) + H2O

Waar HIn het geprotoneerde fenolftaleïne vertegenwoordigt en In- het fenolftaleïne-anion vertegenwoordigt.

De kleurverandering van fenolftaleïne is omkeerbaar, wat betekent dat het weer kleurloos kan worden als de pH van de oplossing weer wordt verlaagd door toevoeging van een zuur. Deze eigenschap maakt fenolftaleïne een nuttige indicator voor zuur-base-titraties, waar het wordt gebruikt om het equivalentiepunt aan te geven, of het punt waarop het zuur en de base volledig hebben gereageerd.