牛肉變黑的原因主要與肌紅蛋白的氧化狀態有關。肌紅蛋白是牛肉顏色的主要來源，它本身呈現爲暗紅色或紫紅色。當牛肉被真空包裝後，肌紅蛋白會因爲缺氧而顏色發暗，甚至發黑發紫。此時，如果將真空包裝拆開，讓牛排暴露在空氣中，與氧氣充分接觸，肌紅蛋白就會逐漸氧化成氧化肌紅蛋白，從而恢復爲鮮紅色。
除了肌紅蛋白的缺氧變性外，牛肉的顏色還可能受到肌肉纖維的影響，不同部位的牛肉具有不同的肌肉纖維，有時候也會呈現彩虹色。
需要注意的是，如果牛肉表面發黑並伴有腐爛的異味、黴菌斑點、表面發粘或彈性變差等現象，這可能是牛肉變質的表現，應該避免食用。在處理牛排時，應避免水洗，而是應該將其放在常溫或冰箱冷藏室中自然解凍，然後用廚房紙巾輕壓擦掉表面的水分，靜置讓牛肉接觸氧氣，幾分鐘後它就會恢復到正常的顏色。