Meta-hemoglobina é uma forma de proteína da hemoglobina, na qual o ferro no grupo hemo está no estado Fe e não no Fe da hemoglobina normal. A metemoglobina não pode ligar o oxigênio, ao contrário da oxi-hemoglobina. No sangue humano uma pequena quantidade de metemoglobina é normalmente produzida espontaneamente.
Agentes metemoglobinizantes são substâncias capazes de induzir a oxidação de um dos átomos de ferro da hemoglobina, resultando no pigmento metemoglobina (MHb). A MHb não consegue se ligar ao oxigênio, ao gás carbônico ou ao monóxido de carbono devido à carga positiva do ferro.
Amostras de sangue de pacientes com mais que 15% de metahemoglobinemia apresentam um cor marrom-chocolate que não se modifica quando exposta ao ar.