Kemialliset elintarvikelisäaineet voivat olla peräisin joko synteettisistä tai luonnollisista lähteistä, ja niitä käytetään yleensä johonkin neljästä tarkoituksesta. Ne toimivat elintarvikkeiden säilöntäaineina, jotka pidentävät säilyvyyttä ja estävät pilaantumisen lämpö- ja kosteusolosuhteissa, niitä käytetään väriaineina ja makua parantavina aineina tai niitä lisätään elintarvikkeiden ravintoarvon lisäämiseksi. Jalostetuissa elintarvikkeissa on yleensä paljon kemiallisia elintarvikelisäaineita, joita lisätään tuotteisiin pieninä määrinä, mutta yleisimpiä elintarvikkeiden lisäaineita irtotavarana ovat ne, jotka on suunniteltu makua parantaviksi. Näitä ovat luonnollinen sokeri, runsaasti fruktoosia sisältävä maissisiirappi ja keinotekoiset makeutusaineet, kuten aspartaami. Muita yleisiä makua parantavia aineita ovat mononatriumglutamaatti (MSG) ja luonnolliset mausteet, jotka ovat joko synteettisiä tai luonnollisia, kuten vihermintun, mantelin ja vaniljan makuja.
Vaikka makeutusaineet ovat yleisin elintarvikelisäaineiden luokka, kaksi muuta nimenomaan terveydellistä hyötyä lisäävää ainetta ovat myös erittäin yleisiä. Näitä ovat mineraalijodi, joka yleensä lisätään kaliumjodidina sekä säilöntäaineeksi että ehkäisee kilpirauhasen sairauksia, jotka johtuvat yhdisteen puutteesta ruokavaliossa, ja D -vitamiini, joka lisätään maitoon luusairauksien ehkäisemiseksi ja edistää silmien ja ihon terveyttä. Sekä jodia että D -vitamiinia on lisätty elintarvikkeisiin Yhdysvalloissa 1920- ja 1930 -luvuilta lähtien.
Toinen keskeinen alue, jossa luonnollisia lisäaineita käytetään elintarvikkeen ravintoarvon vahvistamiseen, on B -vitamiinien, raudan ja foolihapon lisääminen jalostettuun valkoiseen jauhoon. Suurin osa näistä vitamiineista on luonnollisesti läsnä jauhoissa, mutta ne menetetään jauhamisprosessin aikana. Niitä on lisätty takaisin lopputuotteeseen 1940 -luvulta lähtien ehkäisemään sairauksia, kuten pellagraa ja beriberiä lapsilla ja aikuisilla sekä spina bifidaa vastasyntyneillä.
Vaikka keinotekoiset lisäaineet voivat kuulua noin 20 eri luokkaan. paakkuuntumisenestoaineista emulgointiaineisiin ja kostuttimiin, useita yleisimpiä käytetään estämään elintarvikkeiden luonnolliset rasvat ja öljyt pilaantumasta. Näitä kemiallisia elintarvikelisäaineita ovat butyloitu hydroksianisoli (BHA) ja butyloitu hydroksitolueeni (BHT) sekä rasvanmuotoiset rasvan korvikkeet, kuten olestra- ja steroliesterit. Muita kemiallisia elintarvikelisäaineita, joita käytetään sekä rasvan korvikkeina että elintarvikkeiden stabilointiaineina tai säilöntäaineina, ovat kumit, jotka on hankittu eri kasveista, kuten merilevästä. Näitä ovat karrageeni, guarkumi, johanneksenleipäkumi ja muut tunnetut lisäaineet, kuten ksantaani ja arabikumi.
Sadoista erilaisista kemiallisista elintarvikelisäaineista kaksi yleisesti käytettyä säilöntäaineryhmää tiedetään aiheuttavan liiallisia terveysongelmia. Näitä ovat natriumnitraattiyhdisteet, jotka voivat toimia samanaikaisesti säilöntäaineina, väriaineina ja aromiaineina ja joita käytetään laajalti suolatussa lihassa ja muualla bakteerien kasvun estämiseksi. Sulfiitit ovat toinen laaja kemiallisten elintarvikelisäaineiden luokka, jota käytetään estämään kuivattujen hedelmien värimuutoksia ja pitämään mereneläviä, kuten katkarapuja ja hummeria, tuoreina. Nämä yhdisteet ovat erityisen hankalia astmaa ja tietyntyyppisiä allergioita sairastaville, koska riittävän suurina pitoisuuksina ne voivat aiheuttaa anafylaktisen sokin, joka voi johtaa kuolemaan, jos sitä ei hoideta välittömästi.