الأساس النظري للتفاعلات الكيميائية في الكيمياء الضوئية ينطلق من فهم آلية التفاعلات الكيميائية، والاتفاق على بعض المفاهيم الأساسية مثل الإثارة الإلكترونية، والالكترونات الحرة، والحالة الأساسية والحالة المثارة. وتعتمد هذه الكيمياء على فكرة أن المواد الكيميائية يمكن أن تتفاعل بشكل مختلف تبعاً لتعرضها للإشعاع الكهرومغناطيسي.
تشمل الآلية النظرية للكيمياء الضوئية قضايا مثل التمثيل الخطي للاستجابة للإشعاعات وأسلوب التمثيل غير الخطي، والتأثير الحراري المرتبط بالتفاعلات الكيميائية الناجمة عن الضوء.
وبهذا الصدد، فإن الكيمياء الضوئية تعتمد أيضًا على النماذج النظرية للتفاعل وبالاعتماد على المعلومات المتوفرة حول التفاعلات الكيميائية السابقة لإدارة وترشيد العملية التحليلية والتنبؤ بسلوك التفاعلات الكيميائية في المستقبل.