古代以前に人類が認識していた様々な変化の中で、化学変化であるものには次の例がある。これらは日常世界で人が認識できる化学変化の実例でもある。古代以前から、これらの変化では物の材質が変化すると認識されていたと考えられる。
燃焼
錆 金属の酸化
金属の精錬 鉱石（酸化物、硫化物など）から金属への変化
陶磁器の窯焼き
石鹸の製造
加熱による調理 タンパク質の変成などは化学変化。溶解などは物理変化。
腐敗
発酵
呼吸
消化
なお、呼吸、消化、その他の生命現象の大部分は化学変化に他ならないが、フリードリヒ・ヴェーラーにより初めて無機化合物から有機化合物が合成されるまでは、生命に関する化学変化には生命力が関与しているとして、無機的な化学変化とは区別する考えもあった。また腐敗や発酵に生物が関与していることは、パスツールの研究により初めて明確に認識された。
化学反応は化学反応式で表される。
左辺に反応物 (reactant)、右辺に生成物 (product) を示し、右向き矢印で式とする。Reactant(s) Product(s)
可逆反応を強調したい場合は両向き矢印を使用する。Reactant(s) Product(s)
表記上の規則は化学反応式の項に詳しい。
化学反応は電子の移動にともなって結合の切断と生成が行われる。化学結合と電子の移動方法に着目して化学反応を分類すると、イオン反応 (ionic reaction)、ラジカル反応 (free-radical reaction)、ペリ環状反応 (pericyclic reaction) に分けることが出来る。イオン反応は、空のσ軌道に対して一方の分子から電子対が供与されて結合が生成する化学反応で、電子求引性や電子供与性など原子間の電荷の偏りにより反応の方向が支配される。また、ラジカル反応は空のσ軌道に対して双方の分子から1電子ずつ電子が供与されて結合が生成する化学反応である。一方、ペリ環状反応はエネルギー準位の近い異なる分子のπ軌道同士がσ軌道に転化することで結合が生成する化学反応である。
あるいは有機反応機構および反応物と生成物の構成で化学反応を分類する場合、置換反応、付加反応、脱離反応、転位反応が重要である。
加水分解、脱水反応、付加重合、縮合重合（縮重合）、酸化反応、還元反応、中和反応は化学反応の用途を意識した分類で、上記4反応機構の一つあるいは複数から構成される。
ほかにも光化学反応や重合反応など、反応の特性に応じた分類も存在する。
化学反応を説明付ける理論は、化学反応事例が集積から導出される経験則とそれを物理学的に説明づける物理化学理論が構築されることにより進展して行く。それ故、物理学の展開と歩調を合わせて化学反応論も段階を経て発展して行った。
18世紀から19世紀に元素がラヴォアジエやドルトン等に発見されるのと同時に、化学反応する反応物と生成物との重量比に関して法則性が見出されている。これら化学反応に関与する成分の量的関係に関する理論は、化学量論として体系付けられている。化学量論は一般には経験則である定比例の法則、倍数比例の法則として知られている。
19世紀後半に定量分析法が確立し20世紀にかけて発展することで化学物質の変化量が測定できるようになると、化学平衡や反応の進行する速度について、反応速度式として定式化され物質量やモル濃度そして温度が化学反応の成分量やその変化量に強く影響を及ぼすことが明らかとなった。熱力学により分子（あるいは）原子に共通な振る舞いが物理学的に説明付けられる様になり、化学平衡や反応速度について物理化学的な理論が確立されるに至った。化学反応における成分量の決定因子とその変化の早さは、化学ポテンシャルで代表される広義の熱力学と反応速度論により体系付けられる。化学ポテンシャルは熱力学第二法則を物理化学的に解釈した指標であり、反応（あるいは平衡）の進行方向を決定付ける。反応速度論により、反応速度が物質量や温度により受ける影響を分子などの微視的な振る舞いとして説明づけられるようになった。
反応速度論、特に遷移状態理論により化学反応を熱力学や統計力学のような集団についての理論ではなく、反応物の分子同士の作用として理論付けることが可能になった。今日では反応の種類ごとに分子構造と化学反応を関連付ける反応機構モデルを構築することで化学反応が研究される。
反応機構モデルを構築する基礎原理として、電子が帰属する価電子または共有結合の移動として化学結合を扱い、半経験的原理として有機電子論が体系付けられた。有機電子論やHSAB則において経験的に仮定された電子対の振る舞いは量子化学の分子軌道法で定式化することが可能である。また、ペリ環状反応等いくつかの立体特異的な反応機構は古典的な電子の振る舞いでは説明づけることはできず、分子軌道の結合規則に関する原理を扱うフロンティア軌道理論により反応機構が説明付けられる。
以上のようにして構築された反応機構は化学反応動力学・分子動力学の手法によりモデルの妥当性や反応の振る舞いについて検証されるが、コンピュータの演算性能の急速な拡大と計算化学的手法の発展により、今日では簡単な系であればコンピュータ・シミュレーションで化学反応を予測することも可能である。