Ο καρκίνος, ο οποίος είναι μια ανεξέλεγκτη ανάπτυξη κυττάρων που έχει επιβλαβείς επιδράσεις στα όργανα και σε άλλους ιστούς του σώματος, μπορεί να συνδεθεί με την έκθεση σε ορισμένες χημικές ουσίες στο περιβάλλον. Τα καρκινικά κύτταρα γίνονται επιβλαβή όταν πολλαπλασιάζονται σε σημείο που εισβάλλουν σε γειτονικούς ιστούς και τελικά εξαπλώνονται σε άλλα συστήματα του σώματος. Συχνά, η ανεξέλεγκτη ανάπτυξη του κυττάρου ξεκινά από την επανειλημμένη έκθεση σε μια τοξική χημική ουσία, που ονομάζεται επίσης καρκινογόνο. Οι χημικές ουσίες και η συχνότητα εμφάνισης καρκίνου πάνε χέρι-χέρι. Η πλειονότητα της έρευνας για την αιτιολογία του καρκίνου επικεντρώνεται σε συγκεκριμένες περιβαλλοντικές αιτίες, όπως η έκθεση σε χημικές ουσίες στο χώρο εργασίας ή η έκθεση ως αποτέλεσμα επιλογής τρόπου ζωής, για παράδειγμα.
Η σύνδεση μεταξύ χημικών ουσιών και καρκίνου ξεκινά όταν ένα χημικό καρκινογόνο προκαλεί μια αλλαγή στο δεοξυ-ριβονουκλεϊκό οξύ (DNA), μια διαδικασία που ονομάζεται έναρξη. Υπό κανονικές συνθήκες, το αμυντικό σύστημα του σώματος μπορεί να αναγνωρίσει και να επιδιορθώσει τα κατεστραμμένα τμήματα του DNA, αλλά εάν το κύτταρο αρχίσει να αναπαράγεται ενώ, η βλάβη εξακολουθεί να υπάρχει εντός του γενετικού κώδικα και το αποτέλεσμα είναι ένα μη φυσιολογικό κύτταρο με καρκινικό δυναμικό. Μια μεμονωμένη ή μερικές περιπτώσεις της διαδικασίας έναρξης συνήθως δεν είναι αρκετές για να προκαλέσουν την ανάπτυξη καρκίνου. Άλλοι παράγοντες, που συνήθως ονομάζονται «προαγωγοί», εμφανίζονται συχνά, οι οποίοι φαίνεται να είναι παρόντες όταν λαμβάνει χώρα ανεξέλεγκτη ανάπτυξη. Αυτοί οι προαγωγείς περιλαμβάνουν παράγοντες όπως η έκθεση στην αρχική χημική ουσία σε υψηλές ποσότητες για μεγάλο χρονικό διάστημα, η διατροφική ανεπάρκεια ή μια γενετική προδιάθεση για καρκίνο. Η σχέση μεταξύ χημικών ουσιών και καρκίνου δεν είναι πλήρως κατανοητή, αλλά οι περισσότεροι ερευνητές συμφωνούν ότι ένας από αυτούς τους προαγωγούς είναι συνήθως παρών όταν αναπτύσσεται ο καρκίνος.
Η έρευνα για τις χημικές ουσίες και τον καρκίνο έχει διεξαχθεί εδώ και δεκαετίες. Ίσως η πιο γνωστή μελέτη για τον βιομηχανικό καπνό και τον καπνό του τσιγάρου ως δυνητικού καρκινογόνου ξεκίνησε στις Ηνωμένες Πολιτείες τη δεκαετία του 1930. Κατά τη διάρκεια των δεκαετιών, δεκάδες χημικές ουσίες που προκαλούν καρκίνο, όπως το βενζοπυρένιο και η φορμαλδεΰδη, έχουν βρεθεί στον βιομηχανικό καπνό και στον καπνό του τσιγάρου. Ένα άλλο παράδειγμα μιας κοινής χημικής ουσίας που προκαλεί ανησυχία είναι το πολυβινυλοχλωρίδιο, που παράγεται όταν κατασκευάζεται σωλήνας PVC. Η παρουσία του σε πολλές εφαρμογές που χρησιμοποιούνται από τον πληθυσμό το καθιστά ένα από τα πολλά χημικά που οι επιστήμονες συνεχίζουν να ερευνούν προκειμένου να κατανοήσουν τους συγκεκριμένους καρκινογόνους μηχανισμούς τους. Η έρευνα των χημικών ουσιών και του καρκίνου επεκτείνεται στη χρήση ορισμένων χημικών ουσιών για τη θεραπεία του καρκίνου όταν εμφανίζεται, η οποία ονομάζεται χημειοθεραπεία.
Οι σχέσεις αιτίας-αποτελέσματος μεταξύ χημικών ουσιών και καρκίνου μπορούν να παρατηρηθούν με το βενζόλιο και τη λευχαιμία, τον αμίαντο και τον καρκίνο του πνεύμονα, και το χλωριούχο βινύλιο και τον καρκίνο του ήπατος. Ο κίνδυνος καρκίνου γίνεται σημαντικά υψηλότερος όταν οι καρκινογόνες χημικές ουσίες συναντώνται μαζί. Ένα παράδειγμα αυτής της ιδέας μπορεί να δει κανείς σε εργάτες εργοστασίων που εκτίθενται σε τοξικό καπνό στο χώρο εργασίας σε καθημερινή βάση. Οι εργαζόμενοι που καπνίζουν επιπλέον αυτής της έκθεσης έχουν 50% περισσότερες πιθανότητες να αναπτύξουν καρκίνο του πνεύμονα.