在化学反应过程中产生的原子或电子往往处于激发态，能量高而不稳定，在一定条件和特殊情况下，如果有足够的原子或分子；被激发到某个特定的能级，形成粒子数反转，出现受激发射而引起光放大作用，就产生化学激光。利用化学反应释放的能量来实现工作粒子数反转的激光器，称为化学激光器；化学激光器产生的激光，叫化学激光。
产生化学激光的反应一般是放热的原子交换反应。为使这种反应迅速进行，必须有大量的自由原子来引发反应，产生自由原子的方法称为引发技术。以产生氟原子的引发为例，可用紫外线、电子、热和化学反应等几种途径，只有化学反应引发不需要外部能源，所以这种激光器又称为纯化学激光器。
1964年，科学家皮门塔尔等首先实现碘和氯化氢化学激光，到80年代已发展了多种类型的化学激光。例如，光解离型，外界紫外线把分子激励为激发态分子，然后通过它本身的单分子解离反应，获得激发态原子，实现粒子数反转产生激光；原子态激励型，利用外界能源得到自由原子，自由原子与第二种分子反应，达到粒子数反转产生激光的目的；还有纯化学型和传能转移型等。纯化学型以连续波方式运转，二硫化碳与氧燃烧体系、一氧化氮和氟燃烧解离等都属纯化学型。
化学激光的粒子数反转有不同的方式，有些反应在初始阶段出现全反转分布，即振动能级之间存在粒子数反转态，激光腔内各支辐射跃迁，都可能产生激光。
随着分子间互相碰撞交换能量以及级联辐射跃迁，全反转过渡到部分反转分布，直到最后反转消失。还有些反应一开始就产生部分反转分布。
按跃迁机理不同，化学激光器可分为三种。一种是纯转动化学激光器于1967年发现。它利用分子同一振动能级中的转动能级间的粒子数反转，把转动能变成相干辐射，这种激光的输出波长10—100微米，主要有氟化氢、羟基等。另一种是振转跃迁化学激光器，最早发现的一类化学激光器。它利用反应产物分子或自由基的振动转动能级上的粒子数反转，把反应释放的能转分为相干辐射，这种激光输出的波长在2—10微米。还有一种是电子跃迁化学激光器。