Fotochemie je oblast chemie, která studuje interakce mezi atomy (nebo molekulami) a světlem (nebo elektromagnetickým zářením).
Fotochemické reakce jsou aktivovány absorpcí fotonů atomy nebo molekulami, které tak získají potřebnou aktivační energii. Absorpce fotonu způsobí excitaci atomu nebo molekuly, při které dojde ke změně jejich elektronové konfigurace a to umožní reakci, která by za normálních podmínek neproběhla. Základním předpokladem fotochemické reakce je absorpce fotonů s takovou vlnovou délkou, která se shoduje s absorpčním chováním atomu nebo molekuly.
Fotochemické reakce například způsobují fluorescenci nebo fosforescenci.