Den kemiske reaktion, der finder sted, kan repræsenteres som følger:
HIn (farveløs) + OH- (base) → In- (lyserød) + H2O
Hvor HIn repræsenterer det protonerede phenolphtalein og In- repræsenterer phenolphtalein-anionen.
Farveændringen af phenolphtalein er reversibel, hvilket betyder, at den kan skifte tilbage til farveløs, hvis opløsningens pH sænkes igen ved at tilsætte en syre. Denne egenskab gør phenolphtalein til en nyttig indikator for syre-base titreringer, hvor det bruges til at signalere ækvivalenspunktet eller det punkt, hvor syren og basen har reageret fuldstændigt.