メチルオレンジが酸性溶液に添加されると、プロトン化を受け、その結果、化学構造と色が変化します。色素のプロトン化は、それを黄色またはオレンジ色の形（基本形式）から赤い形（酸性型）に変換します。この色の変化は、分子内の共役システムの変化に起因します。
プロトン化反応は、次のように表現できます。
Hin+ H+ h2in+
ここでは、HINはその基本形態のメチルオレンジ分子を表し、H+は酸性溶液からの水素イオンを表します。 H2IN+は、赤い色の原因となるプロトン化メチルオレンジ分子を示します。
溶液のpHが減少すると、水素イオンの濃度が増加することを意味すると、より多くのメチルオレンジ分子がプロトン化され、より強い赤色になります。この色の変化は、溶液の酸性の性質の兆候として機能します。
色が黄色から赤への変化が比較的広いpH範囲で発生するため、メチルオレンジは強酸滴定には適していないことに注意することが重要です（3.1-4.4）。これにより、定量分析では重要な滴定のエンドポイントを正確に決定することが困難になります。したがって、より鋭い色の変化とより適切なpH範囲を備えた他の指標は、一般に、強酸滴定に好まれます。
