تواجه الكيمياء الضوئية العديد من التحديات، ومن أهمها:
1- نقص الفهم الكامل لآليات التفاعلات الضوئية والتأثيرات الكيميائية التي تحدث من خلالها.
2- صعوبة التحكم في الإضاءة والظروف المعينة التي يحتاجها التفاعل الضوئي.
3- صعوبة تصميم وتطوير النظم الضوئية المستخدمة في العمليات الكيميائية.
4- صعوبة إيجاد وسائط مناسبة لتحفيز التفاعلات الضوئية معالجة وتخزين الطاقة.
5- صعوبة تحويل التكنولوجيا الضوئية إلى تطبيقات على نطاق كبير واقتصادي في مختلف المجالات.