Rak, który jest niekontrolowanym wzrostem komórek, który ma szkodliwy wpływ na narządy i inne tkanki ciała, może być powiązany z narażeniem na niektóre chemikalia w środowisku. Komórki rakowe stają się szkodliwe, gdy namnażają się do punktu, w którym atakują sąsiednią tkankę i ostatecznie rozprzestrzeniają się na inne układy organizmu. Często niekontrolowany wzrost komórki jest inicjowany przez wielokrotną ekspozycję na toksyczną substancję chemiczną, zwaną także substancją rakotwórczą. Zapadalność na chemikalia i raka idą w parze. Większość badań dotyczących etiologii raka koncentruje się na określonych przyczynach środowiskowych, takich jak na przykład narażenie na chemikalia w miejscu pracy lub narażenie wynikające z wyboru stylu życia.
Związek między chemikaliami a rakiem zaczyna się, gdy chemiczny czynnik rakotwórczy inicjuje zmianę w kwasie dezoksyrybonukleinowym (DNA), proces zwany inicjacją. W normalnych warunkach system obronny organizmu może zidentyfikować i naprawić uszkodzone fragmenty DNA, ale jeśli komórka zacznie się rozmnażać, uszkodzenie jest nadal obecne w kodzie genetycznym, w wyniku czego powstaje nieprawidłowa komórka o potencjale rakowym. Pojedynczy lub kilka przypadków procesu inicjacji zwykle nie wystarcza, aby spowodować rozwój raka; często widuje się inne czynniki, zwykle nazywane „promotorami”, które wydają się być obecne, gdy ma miejsce niekontrolowany wzrost. Te promotory obejmują takie czynniki, jak ekspozycja na początkową substancję chemiczną w dużych ilościach przez długi czas, niedobory żywieniowe lub genetyczne predyspozycje do raka. Związek między chemikaliami a rakiem nie jest w pełni zrozumiały, ale większość badaczy zgadza się, że jeden z tych promotorów jest zwykle obecny, gdy rozwija się nowotwór.
Badania nad chemikaliami i rakiem prowadzone są od dziesięcioleci; być może najbardziej znane badanie dymu przemysłowego i tytoniowego jako potencjalnego czynnika rakotwórczego rozpoczęło się w Stanach Zjednoczonych w latach trzydziestych XX wieku. Przez dziesięciolecia w dymie przemysłowym i papierosowym znaleziono dziesiątki rakotwórczych substancji chemicznych, takich jak benzopiren i formaldehyd. Innym przykładem popularnej substancji chemicznej, która budzi obawy, jest polichlorek winylu, wytwarzany podczas produkcji rur z PVC. Jego obecność w wielu zastosowaniach wykorzystywanych przez populację sprawia, że jest to jedna z wielu substancji chemicznych, które naukowcy kontynuują w celu zrozumienia ich specyficznych mechanizmów rakotwórczych. Badania nad chemikaliami i rakiem obejmują stosowanie niektórych chemikaliów w leczeniu raka, gdy się pojawi, co nazywa się chemioterapią.
Związki przyczynowo-skutkowe między chemikaliami a rakiem można zaobserwować w przypadku benzenu i białaczki, azbestu i raka płuc oraz chlorku winylu i raka wątroby. Ryzyko zachorowania na raka staje się znacznie wyższe, gdy rakotwórcze chemikalia są spotykane razem. Przykład tej koncepcji można zaobserwować u pracowników fabryki, którzy są na co dzień narażeni na toksyczny dym w miejscu pracy; pracownicy, którzy palą oprócz tego narażenia, mają o 50% większe ryzyko zachorowania na raka płuc.