Chemosynteza jest procesem, w którym energia potrzebna do asymilacji CO2 i przetworzenia go w związki organiczne pochodzi z utleniania zredukowanych substancji o prostej budowie. Proces przebiega w dwóch fazach. Najpierw następuje utlenienie prostych związków nieorganicznych, organicznych lub substancji mineralnych, np. NH3, H2S, S, H2, CO, CH4, podczas którego wyzwala się energia chemiczna. Faza ta jest odpowiednikiem fazy jasnej fotosyntezy. Ze względu na rodzaj utlenianej substancji przez poszczególne grupy bakterii, organizmy te uzyskują różną ilość energii, np.:
bakterie nitryfikacyjne utleniają amoniak lub kwas azotowy (III):
2 NH3 + 3O2 → 2HNO2 + 2H2O + 661 kJ
2HNO2 + O2 → 2HNO3 + 176 kJ
bakterie siarkowe utleniają siarkowodór, a niektóre nawet siarkę:
2H2S + O2 → 2H2O + 2S + 255 kJ
2S + 3O2 + 2H2O → 2H2SO4 + 1188 kJ
bakterie wodorowe utleniają wodór cząsteczkowy:
2H2 + O2 → 2H2O + 573 kJ
metanowe utleniają metan:
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O + 456 kJ
Faza druga polega na wytworzeniu związku organicznego z CO2 i H2O, z wykorzystaniem uzyskanej energii, którą bakterie magazynują w ATP i NADPH+H+. Odpowiada fazie ciemnej fotosyntezy.
Chemosynteza zachodzi u wielu bakterii wodnych i glebowych. Ma niewielkie znaczenie w ogólnej produkcji biomasy. Odgrywa natomiast ważną rolę w krążeniu materii w ekosystemach oraz umożliwia przetworzenie substancji szkodliwych lub trudno przyswajalnych.