Современные исследователи полагают, что биолюминесценция впервые возникла на стадии перехода от анаэробных форм жизни к аэробным,  как защитная реакция древних бактерий по отношению к кислороду — "яду", исторгаемому зелеными растениями во время фотосинтеза. Биолюминесценция широко распространена в приводе и известна у бактерий, грибов, представителей разных типов животных — от простейших до хордовых. Особенно многочисленны светящиеся формы среди ракообразных, насекомых и рыб. 

Светящиеся организмы либо вступают в симбиоз с бактериями, либо сами генерируют свечение. Свечение может испускать вся поверхность тела или специальные  органы свечения -  специализированные железы, большей частью кожного происхождения.  Такие органы имеются у многих морских животных, а из наземных животных - у насекомых (жуки-светляки, жук-щелкун кукухо, личинки грибных и пещерных комариков), некоторых дождевых червей, многоножек и др. Строение органов свечения различно — от простых обособленных скоплений железистых клеток до сложных автономных органов, содержащих светящиеся бактерии. Размеры органов свечения  - от 0,1 мм до нескольких сантиметров. Свет испускают фотогенные клетки или выделяемая ими слизь (автономное свечение), выпрыскиваемая у некоторых видов струёй или облачком, а также светящиеся бактерии, живущие в соответствующих клетках или полостях.

Продолжительность свечения варьирует от длительного, продолжающегося часы, до коротких вспышек, измеряемых у некоторых организмов долями секунды. Свет при биолюминесценции самых разнообразных тонов — от голубого до красного.

Испускаемый свет служит для опознавания особей своего вида, консолидации стай и скоплений, освещения и приманки добычи (например, у глубоководных рыб), для предостережения, отпугивания или отвлечения хищников (у выпускающей светящееся облако креветки Acanthephyra), в качестве сигнала для встречи самцов и самок в брачный период (различные виды светляков). 

Пример использования биолюминесценции как защитного средства: мельчайшие морские одноклеточные (планктон) при механическом раздражении начинают светиться. Так возникает огненный свет за кормой корабля, так каждый удар весла порождает вспышку в воде. Некоторые морские медузы имеют защитную  систему от крабов, состоящую из двух различных желез. В отличие от микробов эти медузы создают свечение вне своего тела, как бы окутывая себя спасительным ореолом.

Биолюминесценция может стать и атакующим   средством. Например, глубоководная рыба Pachystomia вырабатывает оранжевый или красный свет, лежащий в "невидимой" для окружающих области спектра. Таким образом, хищница может высвечивать свою жертву, в то время как та и не подозревает о приближении опасности.

По мнению  канадского  биолога М. Алистера, расположение фотофоров (органов, вырабатывающих холодное свечение) на брюшной поверхности глубоководных рыб связано с опасностью стать жертвой их более крупных  собратьев, плавающих выше. Если же фотофоры расположены вблизи рта, значит, свет используется как приманка.