Korábban a kutatók, és így mi biológia tanárok is úgy gondoltuk, hogy a szemszínt egyetlen gén határozza meg, és ezért az öröklődés egyszerű mintázatot követ: a barna szemek dominánsak, a kék szemek pedig recesszívek. Éppenezért úgy vélték, hogy ha mindkét szülőnek kék szeme van, nem lehetnek barna szemű gyermekeik. Aztán később rájöttek, hogy ez az egész modell így túl egyszerű. Bár ritka, de a kék szemű szülőknek is lehet barna szemű gyermeke! Mert a szemszín öröklődése bonyolultabb, mint eredetileg gondolták, hiszen valójában több gén is szerepet játszik benne. Bár egy gyermek szemszínét gyakran meg lehet jósolni a szülők és más rokonok szemszínéből, a genetikai variációk néha váratlan eredményeket hoznak.

A szemszín a szem íriszében jelen lévő barna pigment, a melanin mennyiségétől függ. Ha az írisz elülső felületén sok melanin található, akkor a szemek sötétek. A fekete szemeknél több melanin van jelen, mint a barna szemek esetében. Ha viszont a melanin hiányzik az iris elülső felületéről, akkor a szemek kéknek tűnnek, nem azért, mert kék pigmentet tartalmaznak, hanem azért, mert a kék fényhullámok tükröződnek az íriszről. Tehát ugyanzon okból tűnik kéknek, ami miatt a mély vizek is gyakran kéknek tűnnek. A vízben nincs kék pigment, de a kék fényhullámok visszaverődnek a vízből a szem felé. 

A szem írisze a mikroszkópban így néz ki:

Látható, hogy a sztrómában, tehát az írisz középső kötőszövetes állományában, vannak azok a melanociták (sötét, elmosódott, változatos alakú sejtek), amelyek a szemszín meghatározásáért felelősek. Minél több melanint termelnek, annál sötétebb a szem színe.

Több gén is részt vesz a melanin mennyiségének és elhelyezkedésének meghatározásában. Ezen gének kölcsönhatásának eredménye, hogy széles skálájú szemszín lehetséges. Ez poligénes öröklődés tehát éppúgy meghatározza a szem színét, mint a bőrszínt vagy a magasságot. Érdekesség, hogy sok újszülöttnek kék szeme van születéskor, és csak később, az első év során válik barnává. Ennek az az oka, hogy az ő szemük írisze még nem kezdett el melanint termelni.

Emelt szintű rész:

A 15. kromoszóma egy adott régiója kulcsszerepet játszik a szemszínben. Ebben a régióban két gén található nagyon közel egymáshoz: az OCA2 és a HERC2. Az OCA2 génből termelt fehérje, amit P fehérjének neveznek, szerepet játszik a melanociták (festéksejtek) érésében, amelyek a melanin előállításáért és tárolásáért felelős sejtes struktúrák. A P fehérje ezáltal kulcsfontosságú szerepet játszik a szem íriszében jelen lévő melanin mennyiségének és minőségének meghatározásában. Az OCA2 gén számos variációja (polimorfizmus) csökkenti a termelt funkcionális P fehérje mennyiségét. A kevesebb P fehérje azt jelenti, hogy kevesebb melanin található az íriszen. Ennek eredményeként a gén polimorfizmusával rendelkező embereknél kék szemek alakulnak ki barna szemek helyett.

Egy HERC2 génhez közeli terület a DNS-en - amit intron 86-ként ismernek - szabályozza az OCA2 gén expresszióját (kifejeződését), be- vagy kikapcsolja azt szükség szerint. Legalább egy polimorfizmus ezen a HERC2 gén területén bizonyítottan csökkenti az OCA2 kifejeződését és a P fehérje termelését, ami kevesebb melanint eredményez az irisben és világosabb szemszínt.

Több más gén is kisebb szerepet játszik a szemszín meghatározásában. Néhány ezek közül a bőr és hajszín kialakulásában is részt vesz. További gének amelyek hatnak a szemszínre: ASIP, IRF4, SLC24A4, SLC24A5, SLC45A2, TPCN2, TYR és TYRP1. Ezen gének hatásai valószínűleg az OCA2 és a HERC2 gének hatásaival kombinálódnak, és hatalmas színváltozatosságot eredményeznek az íriszben.