廃棄物を化学的に処理して、製品などの化学原料としてリサイクルすること。廃棄物を燃焼する際に出る熱エネルギーを回収するサーマルリサイクルに対してこう呼ばれる。英語の頭文字を取ってＣＲと略する場合もある。ペットボトルの材料であるＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）樹脂のリサイクルなどの分野で進んでおり、エチレングリコール分解、メタノール分解などの技術が開発されている。その他には、廃食用油のディーゼル燃料化、石鹸化や、畜産糞尿のバイオガス化などが例としてあげられる。一方、反応により副産物が生成されることがあり、その処理と原料の回収率向上が望まれる。一般廃棄物として排出される容器包装のリサイクルシステム構築を目指して1995年に制定された容器包装リサイクル法では、ケミカルリサイクルとして、1) 熱分解油、2) 高炉還元剤としての利用、3) コークス炉化学原料、4) 合成ガスを作るという４つの手法が認められている。（財）日本容器包装リサイクル協会の資料によると、2006年度のプラスチックの再商品化手法別落札量のうち、ケミカルリサイクルは30万7000tで全体の約半分を占める。一方、農林水産省は、2005年に、市中で使用済みのバイオマスプラスチック製品を回収してバイオマスプラスチックの原料に戻す、ケミカルリサイクル技術を用いた資源循環社会実験を実施した。
