在任何化学反应中，反应物的原子，分子或离子相互碰撞，相互作用形成所谓的过渡态。从过渡状态开始，形成产品。过渡状态是最大的焓，产物的能量通常比反应物少。换句话说，发生化学反应是因为它增加了分子的稳定性、降低了其能量。在化学反应中以热能形式释放能量时，会激发产品的振动状态。能量散布在产品中，使其变热。化学发光中发生类似的过程，除了电子被激发。激发态是过渡态或中间态。当激发的电子返回基态时，能量以光子的形式释放。衰减到基态可以通过允许的跃迁（光的快速释放，如荧光）或禁止的跃迁（更像是磷光）发生。
从理论上讲，参与反应的每个分子都会释放一个光子。实际上，产量要低得多。非酶反应的量子效率约为1％。添加催化剂可以大大增加许多反应的亮度。