自然界的虾青素来源于藻类、细菌、浮游植物。一些水生物种包括虾蟹在内的甲壳类动物，由于长期食用这些藻类、细菌和浮游植物而外表呈现红色，它们又被三文鱼、加力鱼等鱼类，火烈鸟、鸡、鸭等鸟类、家禽捕食，色素储存在皮肤和脂肪组织中使它们的皮肤和羽毛也呈现红色。因此，天然虾青素也可从甲壳类动物、鱼类、鸟类、家禽类中获得。

研究发现很多种类的藻类如雪藻、衣藻、裸藻、伞藻等都含有虾青素，其中雨生红球藻对虾青素的积累量最高可达到细胞干重的4%，积累速率和生产总量比其它绿藻类高，是目前公认生产天然虾青素最好的生物来源。细菌由于受其自身因素的影响，利用价值较低。红法夫酵母被认为是目前真菌发酵生产中最为合适的虾青素来源。从红法夫酵母中提取虾青素是生产虾青素的主要途径之一。

雨生红球藻（H.pluvialiso）是一种单细胞生物，在培养过程中，在氮源充足时，可以促进细胞生长；在氮源缺乏时，则能刺激细胞产生并在体内积累虾青素。雨生红球藻生产虾青素具有细胞繁殖快、培养简单、易于提取的特点，且藻粉可直接应用于食品及饲料工业，降低成本，因此被认为是一种很有虾青素生产前景的微藻。国外优良的雨生红球藻藻体中虾青素一般约占类胡萝卜素总量的90%以上，其生产质量较好，以酯化态的形式存在占总类胡萝卜素的60%—80%，少量为游离态形式。但雨生红球藻生长条件相对要求高，培养周期长，需光照和破壁释放虾青素等缺点。

绿球藻（Chlorella zofingiensis）属于绿藻门小球藻属，具有容易培养、生长快速、耐高温和极端pH、易在户外培养等特点。其合成虾青素兼具红发夫酵母和雨生红球藻二者的部分优势特征，可以利用有机物如葡萄糖为碳源和能源在无光条件下快速合成虾青素，最适生长温度和最适虾青素合成温度24℃都接近室温。碳氮比越高越有利于虾青素的合成。虾青素以酯化态形式在细胞质中大量积累，比较容易达到较高的细胞浓度，同时生长繁殖与虾青素的积累可同步进行。这些特性有利于简化生产设备，节约生产时间，提高生产效率，为大规模培养提供有利因素。但需要解决的是小球藻中虾青素含量远低于雨生红球藻中虾青素的含量，可能是合成途径的缺陷导致。因此，现阶段有人利用基因工程手段，对虾青素合成途中关键酶的基因表达进行调控，或引入外源基因优化小球藻的虾青素合成途径，有可能突破生理水平常规诱导增产虾青素的局限。

另据报道，衣藻（halamidomonas）、裸藻（euglena）、伞藻（acetabularin）等也含有一定量虾青素。