化学氧化法适用于被油类、有机溶剂、多环芳烃、农药及非水溶性氯化物污染的土壤，这些污染物在污染土壤中长期存在，很难被生物所降解。常用的氧化剂有高锰酸钾、过氧化氢、过硫酸钠和臭氧。

高锰酸钾。氧化有机物时主要通过基团（如O^-、HO₂）和氧离子与有机物上的氢发生反应，并使氢键断裂实现氧化。以三氯乙烯（TCE）为例，当使用高锰酸钾作为氧化剂时，三氯乙烯将会被降解为二氧化碳、氯离子，高锰酸根（）将会被还原为二氧化锰。反应进行到一定程度且体系中缺少还原剂时，将会和、水反应，并生成二氧化锰沉淀阻碍氧化反应的进行。锰是地壳中贮量丰富的元素，二氧化锰在土壤中天然存在，因此向土壤中引高锰酸钾，氧化反应产生二氧化锰没有环境风险，且高锰酸钾比较稳定，容易控制；不利因素在于对土壤渗透性有负面影响。

过氧化氢。对于过氧化氢来说，可以利用芬顿（Fenton）反应（加入硫酸亚铁）开展原位化学氧化技术，以二价铁盐活化过氧化氢产生羟基自由基进行氧化，产生的自由基HO·能无选择性地攻击有机物分子中的C-H键，对有机溶剂如酯、芳香烃以及农药等有害有机物的破坏能力高于过氧化氢本身。然而，由于过氧化氢进入土壤后立即分解成水蒸气和氧气，所以要采取特别的分散技术避免氧化剂的失效。

过硫酸钠。溶解后所形成的过硫酸根离子（）具有强氧化性，可以降解污染物，在特定的反应条件下，可活化生成氧化还原电势更高的硫酸根自由基离子（），其氧化性受过硫酸根浓度、pH及氧含量影响。

臭氧。臭氧氧化分为直接氧化和间接氧化。臭氧的直接氧化反应速率较低且有选择性，主要和双键、活性芳香族、胺、硫化物等进行反应；在臭氧的间接氧化中，真正参与反应的基团为臭氧分解后产生的羟基自由基。羟基自由基能与有机物发生加成反应、脱氢反应和电子转移而达到降解有机污染物的目的。

化学氧化法的优点是修复效率高、修复周期短、可修复污染物类型多、二次污染小。但氧化剂价格贵，有的氧化剂具有较高的反应活性，对土壤存在风险。