On distingue la synthèse additive des couleurs qui met en oeuvre des mélanges de lumières colorées et la synthèse soustractive qui se rapporte à la suppression par un matériau (pigment coloré) d'une partie du contenu spectral du rayonnement provenant d'une source lumineuse.
Il est réalisé au niveau de la rétine et peut être obtenu de trois façons différentes :
1. Par superposition sur une même zone rétinienne de lumières colorées provenant de différentes lampes projetées simultanément en un même endroit d'un écran diffusant que l'observateur regarde (cas des éclairages scéniques).
2. Par juxtaposition des flux lumineux sur des zones rétiniennes suffisamment proches pour se situer en deçà de la limite de résolution spatiale de l'oeil (pouvoir séparateur ≈ 1,5 minute d'arc). C'est le cas des pixels des écrans couleurs de télévision ou d'ordinateur composés de 3 sous-pixels (rouge, vert et bleu).
3. Par présentation successive et rapide de lumières colorées à l'observateur, le système visuel (oeil + cerveau) ne percevra qu'une couleur si la fréquence temporelle de succession des couleurs est supérieure à la fréquence de fusion. C'est le cas d'un disque tournant comportant plusieurs secteurs colorés, éclairés par une même source lumineuse.
Un mélange additif de (cf. figure 6) :
lumières vertes et rouges donne du jaune,
lumières jaunes et bleues donne une lumière presque blanche,
lumières rouges, vertes et bleues donne du blanc
Dans ce cas la lumière est spectralement modifiée par les milieux de propagation avant de pénétrer dans l'oeil. On distingue deux catégories de phénomènes soustractifs :
1. L'absorption et la transmission sélective de la lumière. C'est le cas d'une solution ou d'un filtre coloré dont les constituants absorbent une partie des radiations incidentes. Ce principe est utilisé dans les pellicules photographiques couleur.
2. L'absorption et la diffusion sélective de la lumière. C'est le cas des revêtements de peinture sur un support dont les pigments absorbent sélectivement les radiations lumineuses incidentes. De même des tâches colorées espacées d'une distance inférieure à la limite de résolution de l'oeil donneront lieu à un recouvrement spatial de leurs conjugués image au niveau de la rétine.
Un mélange soustractif de (cf. figure 7) :
pigments verts (ne renvoyant que les longueurs d'onde moyennes) et de pigments rouges (ne renvoyant que les grandes longueurs d'onde) donne une couleur brun fonçé.
pigments jaunes absorbant les courtes longueurs d'onde et de pigments bleus absorbant les grandes longueurs d'onde, renvoie un rayonnement vert,
pigments rouge, vert et bleu absorbant respectivement les courtes, moyennes et grandes longueurs d'onde, donne du noir.
En technique d'impression, on doit généralement recourir à la trame pour faire varier l'absorption de la lumière par chacune des encres primaires. Dans ce cas, le mélange visuel créé par les points de trame colorés tient à la fois de la synthèse soustractive, par le filtrage des encres, et de la synthèse additive, par l'addition de taches colorées observées à distance (figure 8).