使用済みの資源を、そのままではなく、化学反応により組成変換した後にリサイクルすること。畜産糞尿のバイオガス化などの例が挙げられ、廃プラスチックの造粒による高炉還元剤化や、PETボトルをモノマーに化学分解した後、再重合する「ペットTOペット」技術も含まれる。これらは、広義のマテリアルリサイクルとして認められている。日本では、焼却熱の直接的で単純な回収だけを指してサーマルリサイクルと呼んでおり、可燃性の廃棄物を固形燃料に加工したり、熱処理により発生する可燃性ガスや可燃油などを利用したりする形態のリサイクルは、ケミカルリサイクルに分類される。一般財団法人環境イノベーション。