A molécula de fenolftaleína, cuja estrutura é mostrada na figura precedente, apresenta dois hidrogênios ácidos que, conforme o pH, podem se ionizar de acordo com os equilíbrios a seguir. H2Ind, HInd- e Ind2- representam as formas protonada, monoionizada e di-ionizada da molécula, respectivamente.

H2Ind (aq) + H2O ⇄ HInd- (aq) + H3O+ (aq)

HInd- (aq) + H2O ⇄ Ind2- (aq) + H3O+ (aq)

Uma vez que as espécies com diferentes graus de protonação apresentam cores diferentes, a coloração de uma solução de fenolftaleína depende do pH do meio.