污染物质历来是自然科学的重要研究对象。环境污染问题出现后，人们开始研究污染物质。起初，研究工作多集中于调查污染物的来源与排放状况，着重于探求处理与控制技术。从20世纪60年代开始，人们逐渐发现，污染物进入环境后，环境对污染物的作用、污染物对生态系统的效应、二次污染物的生成、污染物的迁移转化等等，都会对环境保护产生全局性影响。这些问题的提出，促使环境污染研究面向自然环境，以便更深入地掌握污染物在环境中的迁移转化规律，这就推动了环境污染化学的形成与发展。
污染化学的主要研究对象是人类的生产与消费活动向环境排出的污染物，例如，硫氧化物、氮氧化物、烟尘、挥发性烃、耗氧有机物、氮磷营养素、重金属、农药、多环芳烃、卤代烃、多氯联苯、放射性物质等。但是，环境中有许多非污染性天然物质（如无机盐类、金属氧化物、粘土矿物、腐殖质等），以及各种物理因素（如光照、辐射）、气象、水文、地质、地理条件等，还可能有污染性的天然物质，这是污染物存在的环境背景。此种环境背景或者和污染物直接作用，或者给污染物以间接影响。因此，污染化学的研究对象实际应是由污染物及其环境背景共同构成的综合体系。自然环境是一个开放性体系，时刻有能量流与物质流传送，所受的影响因素很多，而且经常变化，所以污染化学的研究对象是非常复杂的。
污染物在环境中的迁移包括来源、扩散、分布、循环等环节，转化则包括形态、反应、归宿等环节。表面看来，迁移好像只是变换空间位置的物理运动，实际上同污染物的转化交织在一起，相互依赖，相互促进，包含着复杂的化学内容，同时，生物对污染物的迁移与转化所起的作用，也都同化学反应过程有密切关系。
例如，大气污染物二氧化硫在大气中扩散迁移时，可被氧化成为三氧化硫，遇氨或金属氧化物形成硫酸盐颗粒物。它随降水落到地面，受径流冲刷进入水体，成为沉积物。硫酸盐处于水底缺氧条件下，作为受氢体通过硫酸盐还原菌作用，能够还原为硫化氢，再次进入大气。尽管这只是硫在环境中循环途径之一，但每一步骤都往往包含有物理化学或生物化学的反应。大气中二氧化硫的氧化包含着复杂的光化学反应，形成各种激发态，进行自由基反应，并存在非均相的界面吸附与催化过程。
环境中污染物的循环常归纳为各种元素的循环。如碳、氧、氮、硫、磷以及各种金属等，都是以多变的形态与复杂的化学反应过程构成循环体系，通常称为生物地球化学循环。在污染化学研究中有相当一部分工作侧重在污染物的形态与分布方面。污染物的存在形态包括价态、化合态、结构态、结合态等。不同形态的污染物在环境中有不同的化学行为，并表现出不同的污染效应。例如，六价铬有强烈毒性，而三价铬毒性较弱；有机汞如甲基汞的毒性远远超过无机汞；六六六有七种异构体，而其中γ型有最强杀虫力；多环芳烃的致癌活性和其化学结构有相应关系；痕量污染物和不同载体的结合态往往决定其在环境中的迁移状况。
污染物的分布不仅仅是指在环境空间的浓度分布，而且还指污染物不同形态、不同相态之间的分配。因为仅仅根据污染物的总量，并不能确切掌握环境污染的实质。以汞为例，大气中的汞污染物主要来自含汞燃料的燃烧、含汞矿物冶炼与利用汞为原料进行生产的工厂的排放，还来自土壤或水体中汞的挥发。它们以金属汞与氯化汞蒸汽、一甲基汞、二甲基汞以及颗粒态汞等形态存在。水体中的水溶性汞，不但有不同价态，而且能同多种无机与有机配位体形成络合物，在一定条件下又会生成硫化汞等沉淀物。汞还能同粘土矿物、腐殖质、金属水合氧化物等结合为颗粒态汞。在微生物或物理化学作用下，无机汞可转化为甲基汞。水生生物还能在体内蓄积汞，各种生物高分子常以巯基和汞结合。环境中汞的总量按一定比例在各种形态之间分配。阐明汞在环境中的分布，往往要涉及十几种甚至几十种不同的形态。
为了掌握污染物在环境中转化的机理，需要阐明其化学的反应过程。自然环境中的影响因素复杂多变，只用一般的化学规律很难揭示反应的实质与全貌，在污染化学发展过程中，已陆续提出与探索了许多新的课题。例如，大气中的光化学反应与二次污染物的生成以及酸雨的形成、水体中溶液化学平衡与不平衡体系、土壤与底泥中的界面化学反应、有机污染物在环境中的降解与生物氧化、有毒污染物在生物体内的酶化学反应等。污染物在均相或多相的环境体系中转移，经历各种物理化学过程，例如扩散、蒸发、凝结、吸附、离子交换、凝聚、絮凝、沉积、生物浓缩等，这些过程对污染物的空间位置或相态的变化都发生重要作用。
在环境这个开放性体系中，污染物与背景物大多并不处于平衡状态，至多处于一种稳态，因而只用化学热力学是不能确切描述它们的反应过程的。化学动力学是污染化学的重要基础，大气中氮氧化物向硝酸盐气溶胶的转化、农药与有机化学品的化学氧化与光氧化、重金属在还原性水体中的甲基化、气溶胶与水溶胶的脱稳与絮凝等，都涉及化学动力学过程或催化过程。
环境污染物的反应常在空气与水这些流动介质中进行，不可避免要受到流体状态的影响。近年来出现了一门新的学科——环境化学动态学，专门研究污染物在环境流体中的迁移转化历程，标志着污染化学日益走向理论化与模式化。
污染化学的研究方法主要有直接测定、理论推算、模拟实验三种，每一种方法都不能充分反映环境体系的真实状况，因而总是互相补充，综合运用。污染化学的发展趋势，在深入分析方面可归纳为微量、微观、微粒，在综合推断方面可归纳为模型、模式与模拟。
环境污染研究初期，主要关心的是含量较多的污染物。随着对污染效应的认识不断深入，注意力逐渐转向微量与痕量污染物，如化学致癌物、重金属、农药、富营养化物质等。现今所考虑的含量浓度已从ppm（10-6）级进到ppb（10-9）级以至ppt（10-12）级。
对污染物的微观研究，是在原子、分子水平上进行鉴定、分析、观察，探索其形态结构、反应机理、转化过程与中间产物等。对污染效应的研究，是在分子生物学水平上，从分子结构方面以量子化学方法定量判断污染物的毒性或致癌规律。在微观研究中，广泛采用了红外光谱、X射线衍射、气相色谱-质谱联用、电子显微镜、电子能谱、激光探测等手段。
研究显示，微量、痕量污染物大都是同环境中微细颗粒物（微粒）相结合，以微粒为载体而迁移，在微粒表面上转化。环境微粒物质在大气中的如飘尘、金属粉末，在水体中的如粘土矿物、金属水合氧化物、腐殖质、水藻、细菌等，组成各种分散体系。对这些微粒和微量污染物的相互作用进行界面胶体化学研究，成为污染化学的重要方面。
近年来，进行环境污染现象的宏观综合研究，首先是建立某种模型，把内在作用的化学机理以物理图像或方框图简明地表述出来。模型反映出的是定性关系，可据以判断环境污染现象的方向趋势，如果进一步用数学定量关系表达出来，就成为模式。污染化学模式除了用污染物浓度与环境条件等一般参数外，还常用分配系数、平衡常数、电化学位能、生成自由能、动力学常数等实验求定值。从简单的pC-pH、pE-pH图到整个系统的计算机程序，形式很多。大气化学模式与水质化学模式的研究都已取得很大进展，成为污染化学研究的重要方向。
为确证提出的模型与模式，除直接观测外，还大量采用了模拟研究方法，主要有实验室模拟与电子计算机模拟，还进行现场模拟实验。现今，为模拟实验已研制出各种设备仪器系统、感知元件，并利用同位素示踪、荧光显示、激光测试等技术。此外，光化学烟雾室、环境风洞、水体水质模拟系统，以及综合的微宇宙、生态系模拟实验场等成套设施均已问世。计算机模拟也提出了以渐近法综合求解多种物理化学反应的固定模拟程序。环境污染体系的模拟研究已成为非常活跃的领域。
