Ksenobiotyki to wszelkie związki chemiczne, które znajdują się w żywym organizmie, ale które są obce temu organizmowi, w tym sensie, że normalnie nie wytwarzają tego związku ani nie spożywają go w ramach swojej diety. Na przykład u ludzi większość leków należy do tej kategorii, ponieważ ludzie nie wytwarzają ich naturalnie ani nie spożywają ich w normalnych warunkach. Ksenobiotyki można również zdefiniować jako substancje występujące w stężeniach wyższych niż normalne lub całkowicie sztuczne i nieistniejące przed ich syntetyczną produkcją przez ludzi.
Związek normalny dla jednego organizmu może być ksenobiotykiem dla innego. Powszechnie stosowanym tego przykładem jest efekt odczuwany przez ryby żyjące w dole od wylotu oczyszczalni ścieków. Hormony wytwarzane przez ludzi mogą być obecne nawet w uzdatnionej wodzie, a związki te są obce dla ryb.
Kiedy zwierzę wytwarza toksynę jako mechanizm obronny przed drapieżnikami, te toksyny można również uważać za ksenobiotyki z punktu widzenia drapieżnika. Jednak drapieżniki mogą również rozwinąć mechanizmy obronne przed tymi toksynami. Jeden interesujący przypadek, w którym tak się stało, dotyczy traszki o szorstkiej skórze i jej drapieżnika, węża pończosznika. Tetrodotoksyna to ksenobiotyk wytwarzany w ciele traszki, która zwykle jest bardzo trująca dla innych zwierząt, ale wąż pończoch wyewoluował i uodpornił się na niego, aby móc dalej żerować na traszkach. Spekuluje się, że w miarę jak gatunki traszek wytwarzały coraz wyższe stężenia trucizny na przestrzeni pokoleń, wąż pończoch rozwijał coraz silniejszą odporność na nią.
Kiedy ludzkie ciała napotykają taką substancję, usuwają ją w procesie zwanym metabolizmem ksenobiotycznym. W wyniku tych procesów struktura chemiczna związku jest modyfikowana i rozkładana, aby w przypadku niektórych trucizn zostać wykorzystana przez organizm lub, w przypadku niektórych trucizn, poddać się detoksykacji. Czasami to właśnie te ścieżki chemiczne i ich reakcje mogą być śmiertelne, tak jak w przypadku zatrucia zgonów i szkodliwych interakcji leków.
Szlaki metaboliczne, za pomocą których organizm przetwarza obce substancje, od dawna są przedmiotem dużego zainteresowania nauk medycznych. To głównie poprzez badanie tych szlaków są proponowane i rozwijane nowe leki, zwłaszcza w przypadku leków stosowanych w chemioterapii w leczeniu raka. Są również ważne w badaniu potencjalnego wpływu zanieczyszczeń na środowisko, aby zobaczyć, czy substancja chemiczna ulegnie rozkładowi, czy pozostanie w środowisku i wyrządzi szkody.