Eine Kettenreaktion ist eine physikalische oder chemische Umwandlung (Reaktion), die aus gleichartigen, einander bedingenden Reaktionen besteht. Dabei ist ein Produkt einer Einzelreaktion Ausgangsprodukt (Reaktant, Edukt) für eine Folgereaktion. Die Reaktionskette kann linear oder verzweigt sein.
Typisch für verzweigte Reaktionsketten ist ein exponentielles Zeitgesetz. Die Reaktionsrate (Anzahl der Einzelreaktionen pro Zeitintervall) kann zeitlich zu- oder abnehmen oder auch konstant sein (Beispiele siehe unten). „Kettenreaktion“ bedeutet also – entgegen einem häufigen Missverständnis – keineswegs, dass der Vorgang sich ständig beschleunigen oder ausbreiten und zu einer Katastrophe führen muss. Auch ist nicht jeder lawinenartig anwachsende Prozess eine Kettenreaktion, insbesondere thermonukleare Explosionen nicht.
Der Begriff Kettenreaktion wird in der Umgangssprache im gleichen Sinne gebraucht, siehe Dominoeffekt oder Kettenbrief.