המחקר שהוביל לגילוי מולקולת הפיטוכרום החל בשנות השלושים של המאה העשרים, עם גילוי תופעת הפוטופריודיזם. קבוצת חוקרים אמריקאים בדקה את ההשפעה של אור חד-צבעי, בעל אורך גל אחד, על נביטה של זרעי חסה. החוקרים הבחינו שנביטת זרעים שלא נחשפו כלל לאור הייתה זעומה; הקרנת אור באורך גל 670 ננומטר (צבע אדום) העלתה את אחוז הנביטה לכמעט 100%; לעומת זאת, הקרנת אור באורך גל של 730 ננומטר (אדום-רחוק) עיכבה את הנביטה של הזרעים.
החוקרים הניחו שהזרעים מכילים פיגמנט שבליעתו המרבית היא בתחום האדום. אחרי שהפיגמנט הזה בולע אור אדום, הוא מעורר שרשרת של תהליכים המובילים לנביטה. ייתכן שחלק מן הזרעים בניסוי הנ"ל הכילו את הפיגמנט הזה עוד לפני שנחשפו לאור, לכן הם נבטו בחושך. החוקרים חיפשו הסבר להשפעה המעכבת של האור האדום-רחוק. הם בדקו אם אותו פיגמנט, בצורתו הפעילה המעודדת נביטה, יכול לבלוע אור אדום-רחוק ועל ידי כך לאבד את ההשפעה.
כדי לענות על שאלה זו האירו החוקרים חלק מן הזרעים באור אדום בלבד; חלק אחר הואר באור אדום ומיד לאחריו באדום-רחוק; ואילו קבוצה שלישית הוארה באדום-רחוק בלבד. קבוצת ביקורת לא קיבלה שום הארה. האור האדום גרם, כצפוי, לנביטה מלאה, אולם ההפתעה הייתה שהשפעת האור האדום התבטלה לגמרי, כאשר לאחר האור האדום הוקרנו הזרעים באור אדום-רחוק. בקבוצה שקיבלה הקרנה באור אדום ולאחר מכן אור אדום-רחוק, אחוז הנביטה היה נמוך ביותר, כמו בקבוצה שקיבלה הקרנה של אדום-רחוק בלבד.
בניסוי אחר התברר, שהארה באור אדום לאחר הקרנה באדום-רחוק העלתה את אחוז הנביטה ל100%-. כלומר, אחוז הנביטה נקבע על ידי סוג הקרינה האחרון שהזרעים קיבלו. אין זה משנה כלל כמה מחזורי הקרנה עוקבים (של אור אדום המלווה באור אדום-רחוק) נערכו; אם ההקרנה האחרונה הייתה בתחום האדום - התקבלה נביטה מלאה; אם ההקרנה האחרונה הייתה בתחום האדום-רחוק - לא הייתה נביטה. החוקרים בדקו תהליכים פוטומורפוגנטיים אחרים ומצאו שגם בהם השפעת האור האדום-רחוק מבטלת את השפעת האור האדום, ולהפך.
בשלב הבא בדקו החוקרים את ספקטרום הפעולה של התגובות האלה ואת ספקטרום הפעולה של ביטולן. נמצא, שתגובת ההשראה בכולן הייתה מרבית בתחום 660 ננומטר, ותחום ביטול ההשראה באורך גל של 730 ננומטר. אחת ההשערות הראשונות הייתה, שיש שני פיגמנטים וכל אחד מהם בולע אורך גל שונה. לפי השערה זו, כל אחד מן הפיגמנטים מפעיל שרשרת תהליכים אחרת, לאחר קליטת האור. השערה אחרת, הייתה שמדובר בפיגמנט אחד שמשנה את צורתו לאחר קליטת האור, ומשמש כמו מתג off/on. לפי השערה זו, הפיגמנט משנה את יכולת הבליעה שלו לאחר קליטת האור (אחרי הארה באדום או באדום-רחוק).
ההתפתחות הטכנולוגית אפשרה בשנת 1959 לאשר את ההשערה האחרונה ופיגמנט האור שהתאים לממצאים נקרא פיטוכרום. זיהוי הפיטוכרום נעשה בשיטה הספקטרוסקופית, ובעזרתה היה אפשר לזהות את המולקולה גם מחוץ לצמח. חקר תכונותיו הכימיות של הפיטוכרום הבהיר שאכן מדובר בחומר אחד בעל שתי צורות: צורה הבולעת אור בתחום האדום, וצבעה ירוק-צהוב; וצורה הבולעת אור אדום-רחוק וצבעה כחול.