Черният чай дължи тъмния си цвят на оксидацията – същият процес, който кара разрязаната ябълка да покафенява.

Процесът на оксидация в чаените листа се управлява от ензима полифенолоксидаза. Когато клетъчните стени на листата от растението Camellia sinensis се разрушат чрез валцуване или нарязване, ензимите влизат в контакт с кислорода. Това задейства каскада от химични реакции, които превръщат безцветните катехини в цветни пигменти.Основните продукти на тази реакция са теафлавините, които придават златисто-жълтия цвят, и теарубигините, които са отговорни за наситения червеникаво-кафяв нюанс. Изследвания на Института по хранителни технологии (IFT) показват, че нивата на тези съединения определят не само цвета, но и стипчивостта на напитката. При черния чай оксидацията е пълна, докато при улун чая тя е само частична.За сравнение, производството на зелен чай включва стъпка, наречена „фиксиране“, при която листата се излагат на пара или се пекат в тиган при температура над 65 градуса по Целзий. Тази топлина деактивира ензимите и предотвратява промяната на цвета. Исторически доказателства сочат, че методът за пълна оксидация е станал популярен в Китай през 17-ти век, тъй като черният чай е по-издръжлив при дълги пътувания до Европа.