化学激光器是另一类特殊的气体激光器，其泵浦源为化学反应所释放的能量。这类激光器大部分以分子跃迁方式工作，典型波长范围为近红外到中红外谱区。最主要的有氟化氢（HF）和氟化氘（DF）两种装置。前者可以在2.6～3.3微米之间输出15条以上的谱线；后者则约有25条谱线处于3.5～4.2微米之间。这两种器件目前均可实现数兆瓦的输出。其他化学分子激光器包括波长为4.0～4.7微米的溴化氢（HBr）激光器，波长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电子跃迁的化学激光器是氧碘激光器，它具有高达40％的能量转换效率，而其1.3微米的输出波长则很容易在大气中或光纤中传输。

化学激光器有脉冲和连续两种工作方式。脉冲装置首先于1965年发明，连续器件则于4年后问世。其中氟化氢和氟化氘激光器由于可以获得非常高的连续功率输出，其潜在军事应用很快引起人们的兴趣。在“星球大战”计划的推动下，美国于80年代中期以3.8微米波长、2.2兆瓦功率的氟化氘激光器为基础，研制出“中红外先进化学激光装置”，在战略防御倡议局1988年提交国会的报告中，称其为当时“自由世界能量最大的高能激光系统”。而氧碘激光器则在材料加工中得到应用，并可望用于受控热核聚变反应。化学激光器最近的发展方向包括以数十兆瓦为目标进一步增加连续器件的输出功率；努力提高氟化氢激光的光束质量和亮度；并探索由氟化氢激光器获得1.3微米左右短波长输出的可能性。