Η χημική συντήρηση τροφίμων εφαρμόζεται από τότε που ο άνθρωπος άρχισε να αποθηκεύει τρόφιμα για μεταγενέστερη χρήση. Η αποθήκευση τροφίμων έθεσε το πρόβλημα της αλλοίωσης, που συνήθως προκαλείται από μικροοργανισμούς όπως βακτήρια, μύκητες και ζυμομύκητες. Εκτός από το να καθιστά τα τρόφιμα μη βρώσιμα ή μη ορεκτικά, η μικροβιακή δραστηριότητα μπορεί να οδηγήσει σε δυνητικά θανατηφόρα τροφική δηλητηρίαση. Κατά τη διάρκεια της ιστορίας, μια μεγάλη ποικιλία χημικών ουσιών έχει χρησιμοποιηθεί για την πρόληψη της αλλοίωσης των τροφίμων και η χρήση τους χρονολογείται πολύ πριν από το σημείο που υποπτεύθηκε για πρώτη φορά την ύπαρξη μικροοργανισμών. Αυτές οι χημικές ουσίες κυμαίνονται από φυσικές ουσίες, όπως αλάτι, ζάχαρη, αλάτι και μπαχαρικά, έως σύγχρονα πρόσθετα τροφίμων όπως βενζοϊκά, σορβικά και θειώδη.
Δύο από τα παλαιότερα συντηρητικά τροφίμων είναι το αλάτι και η ζάχαρη, τα οποία δρουν αφαιρώντας το νερό από τα ζωντανά μικροβιακά κύτταρα, προκαλώντας θάνατο ή εμποδίζοντας την ανάπτυξη. Περίπου έξι φορές περισσότερη ζάχαρη από το αλάτι χρειάζεται να χρησιμοποιηθεί για να επιτευχθεί το επιθυμητό αποτέλεσμα, αλλά και τα δύο πρέπει να χρησιμοποιούνται σε σχετικά μεγάλες ποσότητες για να είναι αποτελεσματικά, και αυτό προφανώς περιορίζει τη χρήση τους καθώς θα προσδώσουν μια έντονη γεύση στο φαγητό, ειδικά στην περίπτωση του αλατιού. Ως εκ τούτου, χρησιμοποιούνται εκεί όπου οι γεύσεις τους θα ταιριάζουν με εκείνες των τροφίμων, έτσι το αλάτι χρησιμοποιείται για τα κρέατα και η ζάχαρη για τα φρούτα. Πολλά βότανα και μπαχαρικά περιέχουν χημικές ουσίες που μπορούν να σκοτώσουν μικροοργανισμούς και αυτές έχουν επίσης χρησιμοποιηθεί ως συντηρητικά. Το σκόρδο, το κρεμμύδι, το μπαχάρι και η ρίγανη είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικά στην εξόντωση των βακτηρίων.
Το νιτρικό νάτριο και το κάλιο, γνωστά και ως άλας, έχουν χρησιμοποιηθεί για τη συντήρηση και τη σκλήρυνση του κρέατος εδώ και αιώνες και χρησιμοποιούνται ακόμα και σήμερα. Τα βακτήρια μειώνουν τα νιτρικά (NO3-) σε νιτρώδη (NO2-) και στη συνέχεια σε μονοξείδιο του αζώτου (NO), το οποίο καταστρέφει το ένζυμο φερρεδοξίνη, που χρησιμοποιείται από ορισμένα βακτήρια για να λάβουν την ενέργειά τους, για παράδειγμα το Clostridium botulinum, το βακτήριο που προκαλεί την αλλαντίαση. Για το λόγο αυτό, τα νιτρικά ή νιτρώδη άλατα θεωρούνται απαραίτητα σε αλλαντικά προϊόντα, όπως το ζαμπόν, το μπέικον και τα λουκάνικα. Αυτή η μορφή χημικής συντήρησης τροφίμων είναι, ωστόσο, αμφιλεγόμενη. Τα νιτρώδη μπορούν να αντιδράσουν με χημικές ουσίες στο κρέας για να σχηματίσουν νιτροζαμίνες, οι οποίες είναι καρκινογόνες. Τα νιτρικά και τα νιτρώδη δεν είναι αποτελεσματικά έναντι των μικροοργανισμών που δεν χρησιμοποιούν φερρεδοξίνη — για παράδειγμα τη σαλμονέλα.
Μεταξύ των μεθόδων χημικής συντήρησης των τροφίμων που εισήχθησαν τον 20ο αιώνα είναι η χρήση αλάτων ορισμένων οργανικών οξέων, όπως το βενζοϊκό, το προπιονικό και το σορβικό οξύ — για παράδειγμα βενζοϊκό νάτριο, προπιονικό νάτριο και σορβικό κάλιο. Όταν απορροφώνται στα μικροβιακά κύτταρα, αυτές οι χημικές ουσίες παρεμβαίνουν στο σύστημα μεταφοράς των κυττάρων, το οποίο επιτρέπει την απορρόφηση θρεπτικών συστατικών μέσω της κυτταρικής μεμβράνης, εμποδίζοντας την ανάπτυξη. Είναι αποτελεσματικά ενάντια σε ένα ευρύ φάσμα βακτηρίων και μούχλας σε χαμηλές συγκεντρώσεις και συνήθως δεν επηρεάζουν τη γεύση του φαγητού. Ωστόσο, γενικά λειτουργούν καλύτερα σε αρκετά χαμηλό pH, καθιστώντας τα πιο κατάλληλα για χρήση σε όξινα τρόφιμα όπως χυμούς φρούτων, ανθρακούχα ποτά και σάλτσες για σαλάτες. Τα parabens – εστέρες του υδροξυπαραβενζοϊκού οξέος – είναι αποτελεσματικά σε ένα ευρύτερο φάσμα pH.
Τα θειώδη και τα μεταδιθειώδη απελευθερώνουν διοξείδιο του θείου, το οποίο διαλύεται στο νερό για να σχηματίσει θειικό οξύ. Αυτό φαίνεται να λειτουργεί με παρόμοιο τρόπο με τα οργανικά οξέα και είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικό ενάντια σε ζυμομύκητες και μούχλες, συμπεριλαμβανομένων των μυκήτων που παράγουν αφλατοξίνες. Αυτά τα συντηρητικά χρησιμοποιούνται συχνά σε αποξηραμένα φρούτα και κρασί. Ωστόσο, η χρήση τους δεν επιτρέπεται στο κρέας, καθώς κοκκινίζουν το χρώμα και μπορούν να συγκαλύψουν τη μυρωδιά της σήψης, κάνοντας το αλλοιωμένο κρέας να φαίνεται φρέσκο. Μερικοί πάσχοντες από άσθμα είναι πολύ ευαίσθητοι στο διοξείδιο του θείου και στα παράγωγά του και πρέπει να αποφεύγουν τρόφιμα και ποτά που περιέχουν σχετικά υψηλά επίπεδα θειωδών.
Η χρήση αντιβιοτικών για χημική συντήρηση τροφίμων δεν επιτρέπεται στις περισσότερες χώρες, καθώς μπορεί να οδηγήσει στην εμφάνιση ανθεκτικών στα αντιβιοτικά στελεχών βακτηρίων. Η βακτηριοκίνη νισίνη, ωστόσο, χρησιμοποιείται μερικές φορές, καθώς — σε αντίθεση με τις περισσότερες βακτηριοσίνες — είναι αποτελεσματική ενάντια σε ένα ευρύ φάσμα μικροοργανισμών. Προστίθεται σε ορισμένα επεξεργασμένα τυροκομικά προϊόντα και σε ορισμένα κονσερβοποιημένα τρόφιμα.
Τα δοχεία τροφίμων και τροφίμων μερικές φορές υποβάλλονται σε επεξεργασία με ορισμένες χημικές ουσίες πριν συσκευαστούν, σε αντίθεση με την προσθήκη συντηρητικών. Για παράδειγμα, τα φρούτα συχνά υποκαπνίζονται με οξείδια του αιθυλενίου και του προπυλενίου για την αναστολή της μούχλας. Διάφορα αρώματα και αντιοξειδωτικά που προστίθενται στα τρόφιμα μπορούν επίσης να βοηθήσουν στη διατήρησή τους.