Jest procesem, w którym energia potrzebna do asymilacji CO2 i przetworzenia go w związki organiczne pochodzi z utleniania zredukowanych substancji o prostej budowie. Proces ten przebiega w dwóch fazach.
Najpierw następuje utlenienie prostych związków nieorganicznych, organicznych lub substancji mineralnych, np. NH3, H2S, S, H2, CO, CH4, podczas którego wyzwala się energia chemiczna magazynowana w postaci ATP. Faza ta jest odpowiednikiem fazy jasnej fotosyntezy. Ze względu na rodzaj utlenianej substancji przez poszczególne grupy bakterii, organizmy te uzyskują różną ilość energii, np.:
- bakterie nitryfikacyjne utleniają amoniak lub kwas azotowy (III):
bakterie siarkowe utleniają siarkę i niektóre związki nieorganiczne siarki, np. siarkowodór:
- bakterie wodorowe utleniają wodór cząsteczkowy:
- bakterie żelazowe utleniają sole żelazowe (II):
metanowe utleniają metan:
- tlenkowęglowe utleniają tlenek węgla (II):
Faza druga polega na wytworzeniu związku organicznego z CO2 i H2O, z wykorzystaniem uzyskanej wcześniej energii, którą bakterie magazynują w ATP i NADPH+H+.Faza ta odpowiada fazie ciemnej fotosyntezy.
Chemosynteza zachodzi u wielu bakterii wodnych i glebowych. Ma niewielkie znaczenie w ogólnej produkcji biomasy. Odgrywa natomiast ważną rolę w krążeniu materii w ekosystemach oraz umożliwia przetworzenie substancji szkodliwych lub trudno przyswajalnych. Na ogół jej wydajność jest niewielka.