Chemoluminescentie (ook: chemiluminescentie) is het verschijnsel dat bij een chemische reactie energie vrijkomt in de vorm van licht (luminescentie).
Een reactie waarbij chemiluminescentie optreedt is meestal exotherm. Deeltjes (reactanten) reageren met elkaar en er ontstaan reactieproduct(en) en energie. Deze energie wordt niet aan de omgeving afgestaan in de vorm van warmte, maar wordt door een reactieproduct opgenomen. Dit deeltje zal dan energierijk zijn en zich in de aangeslagen toestand bevinden (C*). Dit molecuul zal na verloop van tijd weer teruggaan naar de grondtoestand. Tijdens het teruggaan naar de grondtoestand komt energie vrij. Deze wordt uitgezonden in de vorm van licht.
In formule: A + B → C* + D → C + D + licht