番茄紅素是一種不飽和烯烴化合物，是成熟番茄中的主要色素，也是常見的類胡蘿卜素之一。番茄紅素不具有β-胡蘿卜素的β-芷香酮環結構，故在體內不能轉變為維生素A，不屬于維生素A原。分子式為C40H56，有多種順反異構體。
番茄紅素是脂溶性物質，難溶于水、甲醇、乙醇，可溶于乙醚、石油醚、己烷、丙酮，易溶于氯仿、二硫化碳、苯等有機溶劑。番茄紅素分子中有11個共軛雙鍵和2個非共軛雙鍵，故其穩定性很差，容易發生順反異構反應和氧化降解。
影響番茄紅素穩定性的因素包括氧、光、熱、酸、金屬離子、氧化劑和抗氧化劑等。