吸附質分子與吸附劑表面原子間發生電子的交換、轉移或共有，形成吸附化學鍵的吸附作用。其主要特點是：吸附熱近於化學反應熱；是單分子層吸附；有選擇性，即某些吸附質隻在某些吸附劑上吸附；是可逆吸附。化學吸附可分為需要活化能的活化吸附和不需要活化能的非活化吸附，前者吸附速率較慢，而後者則較快。
化學吸附的機理可分三種情況：①吸附質失去電子成正離子，吸附劑得到電子，成為正離子的吸附質吸附到帶負電的吸附劑表面上；②吸附劑失去電子，吸附附質得到電子，成為負離子的吸附質吸附到帶正電的吸附劑表面上；③吸附劑與吸附質共有電子成共價鍵或配位鍵，氣體在金屬表面上的吸附就往往是由於氣體分子的電子與金屬原子的d電子形成共價鍵，或氣體分子提供一對電子與金屬原子成配位鍵而吸附的。在金屬氧化物表面，若氣體分子的電子親合勢大於金屬氧化物的電子脫出功時，則金屬氧化物能給氣體分子電子，後者就以負離子形式吸附；反之則會有氣體正離子吸附。在矽酸鋁等吸附劑上酸性中心對吸附起決定性作用。
由於化學吸附是單分子層吸附，其等溫線可用朗繆爾等溫式描述。有時也可用弗羅因德利希吸附公式描述某些化學吸附等溫線。捷姆金吸附等溫式隻適用於化學吸附，它的形式是：
式中V是平衡壓力為p時之吸附體積；Vm是單分子層飽和吸附體積；a和C0是常數。
化學吸附是多相催化反應不可缺少的關鍵步驟，反應物分子在催化劑表面上發生化學吸附成為活化吸附態，大大降低瞭反應活化能，加快瞭反應速率，並能控制反應方向。研究化學吸附不僅對瞭解催化反應的機理，而且對實現催化反應的工業化有巨大的實際意義。
化學吸附的研究方法遠比物理吸附復雜，常用的有低能電子衍射法、紅外光譜法、電子自旋共振法、場發射顯微鏡、俄歇電子能譜法、氣相色譜法等。