El reciclaje químico generalmente se refiere a tecnologías que descomponen el plástico en combustible o plástico nuevo (repolimerización) con alguna combinación de calor, presión, oxígeno empobrecido, catalizadores y/o disolventes. La pirólisis y la gasificación utilizan calor con oxígeno limitado para descomponer los polímeros sin que haya combustión. Ambas tecnologías pueden funcionar con mezclas de polímeros para producir un aceite similar al diésel y un gas con alto contenido en hidrógeno (H₂) y monóxido de carbono (CO). Las tecnologías basadas en disolventes están aún menos maduras en comparación con la pirólisis y la gasificación. La solvolisis elimina las impurezas del plástico sin descomponer los polímeros, y otras tecnologías disolventes dividen los polímeros en monómeros. Estas últimas tienen una menor huella de carbono porque sus procesos no requieren energía.

Actualmente, el reciclaje químico todavía no está implantado a escala comercial. Las plantas deben superar obstáculos tecnológicos en cada fase del proceso, desde el procesamiento de las materias primas hasta la limpieza y mejora del gas y fuel obtenidos. Por otra parte, cuando se trata de realizar una repolimerización (plástico a plástico) el producto resultante no puede competir con polímeros vírgenes. Sin embargo, el reciclaje químico es útil para los plásticos que no pueden ser reciclados mecánicamente (todo lo que sea films y láminas plásticas), porque de esa forma pueden convertirse en un subproducto (gas, fuel) que se reintroduce en la cadena de valor.