化學激光器是另一類特殊的氣體激光器，其泵浦源為化學反應所釋放的能量。這類激光器大部分以分子躍遷方式工作，典型波長范圍為近紅外到中紅外譜區。最主要的有氟化氫（HF）和氟化氘（DF）兩種裝置。前者可以在2.6～3.3微米之間輸出15條以上的譜線；后者則約有25條譜線處于3.5～4.2微米之間。這兩種器件目前均可實現數兆瓦的輸出。其他化學分子激光器包括波長為4.0～4.7微米的溴化氫（HBr）激光器，波長4.9～5.8微米的一氧化碳（CO）激光器等。迄今唯一已知的利用電子躍遷的化學激光器是氧碘激光器，它具有高達40％的能量轉換效率，而其1.3微米的輸出波長則很容易在大氣中或光纖中傳輸。

化學激光器有脈沖和連續兩種工作方式。脈沖裝置首先于1965年發明，連續器件則于4年后問世。其中氟化氫和氟化氘激光器由于可以獲得非常高的連續功率輸出，其潛在軍事應用很快引起人們的興趣。在“星球大戰”計劃的推動下，美國于80年代中期以3.8微米波長、2.2兆瓦功率的氟化氘激光器為基礎，研制出“中紅外先進化學激光裝置”，在戰略防御倡議局1988年提交國會的報告中，稱其為當時“自由世界能量最大的高能激光系統”。而氧碘激光器則在材料加工中得到應用，并可望用于受控熱核聚變反應。化學激光器最近的發展方向包括以數十兆瓦為目標進一步增加連續器件的輸出功率；努力提高氟化氫激光的光束質量和亮度；并探索由氟化氫激光器獲得1.3微米左右短波長輸出的可能性。