荧光素（luciferin），来自拉丁文lucifer, 意为“光明使者”。荧光素发光主要是因为它在荧光素酶的催化作用下发生反应，产生的激发态中间体返回基态时以发光形式释放能量。一般作为荧光素酶（luciferase）底物的荧光素，需要在Mg²⁺和O₂（有时还需要三磷酸腺苷ATP）参与下被酶催化氧化而产生生物发光。萤火虫荧光素酶的催化过程通常分为以下两步：

而细菌荧光素酶催化过程为：

即还原型的黄素单核苷酸氧化长链脂肪醛产生脂肪酸。该反应形成激发态的羟基黄素中间体，其脱水后生成黄素单核苷酸（FMN），并发出蓝绿色光。

这一系列反应的能量利用效率非常高，80%～90%的输入能量都被转化为了光能。而光量子的产出率与荧光素酶的浓度呈正相关性，因此非常适合于细胞及活体成像。

研究的比较深入的荧光素有萤火虫荧光素、蜗牛荧光素、细菌荧光素、天然腔肠荧光素、腰鞭毛虫荧光素等，典型的荧光素分子结构见图。

a 萤火虫荧光素；b 蜗牛荧光素；c 细菌荧光素；d 天然腔肠荧光素典型的荧光素分子结构