A bioluminescência em Noctiluca é causada por uma reação luciferina-luciferase. A luciferina é uma molécula emissora de luz, enquanto a luciferase é uma enzima que catalisa a oxidação da luciferina, resultando na emissão de luz. Esta reação ocorre dentro de estruturas especializadas chamadas cintilões ou fotócitos presentes no citoplasma das células Noctiluca.

Quando uma célula Noctiluca é estimulada por distúrbios físicos, como ondas, agitação mecânica ou mesmo movimento de organismos próximos, ela desencadeia a reação luciferina-luciferase. O mecanismo específico desta estimulação não é totalmente compreendido, mas envolve alterações no ambiente celular que fazem com que os íons cálcio (Ca2+) aumentem em concentração.

O aumento dos níveis de Ca2+ ativa a enzima luciferase, que então catalisa a oxidação da luciferina para produzir luz. A luz emitida tem uma cor azul esverdeada característica e é visível à noite, conferindo ao Noctiluca o seu brilho bioluminescente.

Vale a pena notar que, embora os detalhes bioquímicos exatos possam diferir ligeiramente entre as diferentes espécies de Noctiluca, o processo global de bioluminescência envolvendo uma reação luciferina-luciferase permanece consistente.