Несмотря на большой интерес к флуоресцентным белкам с биотехнологической точки зрения и на многочисленные работы, посвященные анализу их структуры, анализу влияния мутаций, их биологическая функция остается мало изученной. Было выдвинуто несколько гипотез на основании лабораторных исследований, но ни одна из них не нашла прямых подтверждений в экспериментах in vivo, в работе c естественными носителями GFP-подобных белков, такими как кораллы и медузы. Предполагаемые функции флуоресценции можно сгруппировать в два класса: модуляция либо участие в фотосинтезе и визуальная коммуникация. К первому могут относиться рифообразующие кораллы, в которых часто присутствуют водоросли симбионтов. Было высказано предположение, что наличие флуоресцентных белков способствует, например, рассеиванию солнечного света, и предохраняет симбионтов от избыточного освещения. Данные о том, что флуоресцентные белки могут выступать в качестве доноров электронов также указывают на теоретическую возможность их участия в том или ином виде фоторецепции или даже продукции восстановительных эквивалентов Функцию визуальной коммуникации чаще всего связывают с зеленым флуоресцентным белком в биолюминесцентных организмах, таких как Aequorea victoria или Renilla reniformis. Несмотря на различные гипотезы о биологической функции флуоресцентных белков, на данный момент остается не до конца ясным, связана ли основная функция флуоресцентных белков с их флуоресцентными свойствами, или флуоресценция является побочным эффектом других функциональных свойств.