Първата химична реакция, овладяна от човека, е горенето. Въпреки това в продължение на хилядолетия огънят е считан за мистична сила, която превръща едно вещество в друго (дървото – в пепел, водата – в пара), като при това се отделят светлина и топлина. Огънят участва в множество дейности на хората от ранните общества – както в бита (например готвене и осветление), така и в производството (грънчарство, топене на метали, изработка на тухли и направа на инструменти).
Древните хора са се опитвали да разберат защо различните вещества имат различни свойства (цвят, плътност, аромат), защо съществуват в различни агрегатни състояния (газообразни, течни и твърди) и защо реагират по различен начин, когато са изложени например на температурни промени. Обща черта на древните теории е опитът да се открият малък брой първични елементи, които съставят всички останали вещества в природата. Вещества като въздуха, водата и почвата, различни форми на енергия, като огъня и светлината, и по-абстрактни понятия като идеите, етера и небето са често срещани в древните цивилизации, например в гръцката, индийската, китайската и тази на маите. Всички те считат въздуха, водата, земята и огъня за основни елементи.
Един от първите научни опити за обяснение на някои химични явления е древногръцкият атомизъм, който възниква едновременно с учението за четирите основни елемента – огън, вода, въздух и земя.[1][2] За основатели на атомизма се смятат философите Левкип и Демокрит, които заявяват, че атомите са най-малките, неделими частици материя. Приблизително по същото време подобна концепция разработва индийският философ Канада. Тези теории са изцяло умозрителни поради липсата на емпирични данни. Без научни доказателства е лесно да се отрече съществуването на атомите. Аристотел се обявява против съществуването на атомите през 330 г. пр.н.е.
Алхимическият период (III–XVII век) е времето на търсене на философския камък. Алхимическата теория, основана на античните представи за четирите елемента, се преплита с астрологията и мистиката. Алхимическият период се разделя на три по-малки периода – Александрийска, Арабска и Европейска.[3]
В Александрия става съединяване на теориите на Платон и Аристотел с практическите знания за веществата, свойствата им и преобразуванията им. Смята се, че самото название „химия“ произхожда от древното название на Египет – „Кем“ или „Хем“.[4][5][6][7] Понякога се счита, че терминът идва от гръцки – χυμος или χυμενσιζ.
Основният предмет на изучаване на алхимията са металите. В преплитането с астрологията се ражда и специфична символика и съответствие: сребро – Луна, живак – Меркурий, мед – Венера, злато – Слънце, желязо – Марс, калай – Юпитер, олово – Сатурн. Покровител на химията в Александрия става египетският бог Тот или неговият гръцки аналог Хермес. От този период са останали и някои писмени доказателства, че египетските алхимици са познавали амалгамата – процеса на позлатяване и извличането на злато и сребро от руди.
Сред най-важните представители на гръцко-египетската алхимия, чието имена за дошли до наши дни, може да се отбележат Болос Демокритос, Зосим Панополит и Олимпиодор Младши. Написаната от Болос книга „Физика и мистицизъм“ (около 200 г. пр.н.е.) се състои от четири части, занимаващи се със злато, сребро, скъпоценни камъни и пурпур. Болос предлага за първи път идеята за преобразуването на металите – превръщането на един метал в друг (особено неблагородни метали в злато), която се превръща в основна задача на алхимичния период. Зосим в своята енциклопедия (3 век) определя химията като изкуството за правене на злато и сребро, описва тетрасомат – поетапен процес на получаване на изкуствено злато, и по-специално обръща внимание на забраната за разкриване на тайните на това изкуство.
От Александрийския период са запазени много херметични текстове, които представляват опит за философско-мистично обяснение на трансформациите на веществата, включително известният „Изумрудена таблица“ на Хермес Трисмегист.
Сред безспорните практическите постижения на гръцко-египетските алхимици трябва да се включат откриването на амалгамирането. Амалгама на златото започва да се прилага при позлатяването. Александрийските учени подобряват метода за извличане на злато и сребро от руди, като за целта широко използват живак, произвеждан от цинобър или каломел. В допълнение към практическата стойност, уникалната способност на живака да образува амалгама допринася за третирането на живака като „специален, първичен“ метал. Алхимиците разработват начин за почистване на златото.
Теоретичната основа на арабската алхимия продължава да бъде учението на Аристотел. Въпреки това, развитието на алхимична практика изисква нова теория, основана върху химичните свойства на веществото. Джабир ибн Хайян (Гебер), смятан за баща на химията от мнозина,[8][9][10][11] в края на 8 век разработва нова теория за произхода на металите, според която металите се образуват на два различни принципа. Златото е смятано за съвършен метал и Джабир смята, че за неговото получаване се изисква специално вещество, което той нарича философски камък (Lapis Philosophorum), или еликсир. Този еликсир е трябвало да притежава и много други свойства – да лекува болести и дори да дава безсмъртие.[12][13] Живачно-сярната теория е теоретична основа на алхимията за следващите няколко века. В началото на 10 век, друг виден арабски алхимик, Ар-Рази (Разес), усъвършенства тази теория, като добавя към живака и сяра на принципа на твърдостта, или философската сол.
Арабската алхимия, за разлика от Александрийската, е доста рационална, мистичните елементи в нея са повече по традиция. В допълнение към основната теория на алхимията, по време на арабския етап се раждат понятията лабораторна техника и оборудване, методика на експеримента и апаратура. Арабските алхимици безспорно достигат несъмнени практически успехи – те извличат антимон, арсен, и очевидно, фосфор, произвеждат оцетна киселина и разреждат разтвори на минерални киселини. Важно събитие при арабските алхимици е създаването на рационална фармация и аптеки, като е разработена традицията на древната медицина.
Научните разработки на арабските алхимици постепенно проникват в Средновековна Европа през 13 век. Техните съчинения и книги са преведени най-напред на латински, а след това и на други европейски езици. В Европа към символиката на алхимията се прибавят много елементи от митологията и християнската религия. В европейската алхимия има много повече мистика, отколкото в арабската. Както църковните, така и светските власти нееднократно забраняват заниманията с алхимия. Данте Алигиери в своето най-известно произведение, „Божествена комедия“, поставя в осмия кръг на ада всички онези, които се занимават с алхимия. В същото време тя процъфтява в манастирите и кралските дворове.
Сред най-големите имена на европейските алхимици могат да се отбележат Алберт Велики, Роджър Бейкън, Арналдо де Виланова, Реймонд Лулий и Васил Валентин. Р. Бейкън дава определение на алхимията както следва: „Алхимията е наука за това как да се подготви състава, или еликсира, който, когато се добави към неблагородни метали, ги прави перфектни метали“.
Към началото на 14 век европейската алхимия за първи път постига значителни успехи и по този начин е в състояние да се съревновава и победи арабската по отношение на разбиране на свойствата на материята. През 1270 г. италианският алхимик Бонавентура при опитите си да получи универсален разтворител, получава разтвор на амониев хлорид в азотна киселина, който може да разтваря златото, наричано още царя от металите (оттам произлиза и названието на този разтвор – царска вода). Псевдо-Гебер, един от най-значимите средновековни европейски алхимици, които работят в Испания през 14 век и който подписва своите съчинения с името Гебер, прави подробно описание на концентрирани минерални киселини (сярна киселина и азотна киселина). Използването на тези киселини в алхимичната практика води до значително увеличение на знанията на алхимиците за веществата.
В средата на 13 век в Европа започва производството на барут, като първото му описание (дадено не по-късно от 1249 г.) очевидно е направено от Р. Бейкън (често упоменаван от монах Б. Шварц, което дава основание да бъде считан за основател на барутното дело в Германия). Появата на огнестрелното оръжие е силен стимул за по-нататъшното развитие на алхимията и преплитането ѝ със занаятчийската химия.