Le biologiste Raphaël Dubois a montré en 1887, que la réaction était due à une enzyme, la luciférase, agissant sur un substrat, la luciférine, avec nécessité de présence de dioxygène. En fait les molécules correspondant à la luciférase et luciférine varient selon les espèces. W.D. McElroy a plus tardivement montré que l’émission de « lumière froide » nécessitait aussi deux co-facteurs ; l'ATP (Adénosine triphosphate (ou Acide adénosine triphosphorique) et un minéral (le magnésium). On a d’abord cru que l'ATP était la source de l’énergie, mais pour ensuite démontrer qu’il joue plutôt un rôle de catalyseur en se liant avec le magnésium, la bioluminescence étant alimentée par une suite de réaction d’oxydoréductions.
On a montré (étude de l'Université de Tufts) que ce sont des molécules d'oxyde nitrique émises par l'organisme qui contrôlent l'interruption du signal lumineux à un rythme clignotant propre à chaque espèce et que certaines espèces clignotent en groupe, ce qui permet aux femelles de mieux les détecter et de trouver un partenaire de leur espèce (étude des universités du Connecticut et de Georgie).
Une présence importante de lucioles semble pouvoir être considérée comme un des indicateurs de bon état de naturalité de l'Environnement nocturne. Autrefois des groupes de milliers de lucioles pouvaient être aperçues sur et autour d'un arbre, aux abords d'un ruisseau. C'est un phénomène devenu très rare hormis dans des lieux éloignés de l'agriculture, des villes et dépourvu d'éclairage artificiel.