La bioluminescence résulte d'une réaction chimique au cours de laquelle l'énergie chimique se convertit en énergie lumineuse.

La luminescence est une propriété que possède certaines substances, et qui consiste à restituer l'énergie d'une excitation de type divers en photons d'énergie. Il s'agit donc de la désactivation d'une molécule excitée vers un état énergétique moins élevé. Il existe une multitude de processus d'excitation pour provoquer la luminescence.

La bioluminescence est le résultat d’une réaction chimique. C'est Raphaël Dubois qui comprit l’étape chimique de l’émission de bioluminescence. En effet, il a découvert la luciférine, substance cellulaire responsable de l’émission de lumière qui joue le rôle de substrat. Un substrat est une molécule qui, après s'être liée une enzyme, est transformée en un ou plusieurs produits. Il y a plusieurs sortes de luciférines bien différentes. Cette réaction nécessite également la présence d’une enzyme qu’il a nommé : luciférase. 

Cette réaction enzymatique complexe se déroule sur plusieurs étapes :

1. La luciférine va se lier à l’ATP (nucléotide servant à emmagasiner et à transporter de l'énergie) et à l’ion magnésium.  Le complexe MgATP servira de support à la luciférase.
2. Cette luciférine va réagir avec l’enzyme luciférase et ensemble ils vont donner une forme intermédiaire, laluciférine adénylate. En même temps il y a libération de Pyrophosphate (anion permettant le transfert d’énergie dans les cellules vivantes.)
3. Sur ce complexe, l’oxygène va réagir en donnant l’oxyluciférine, qui va permettre l’oxydation de la luciférine. L’oxydation étant la réaction chimique par laquelle on retire des électrons, la luciférine se retrouve alors dans un état électroniquement excité.
4. Ainsi en se désexcitant, cette molécule retourne dans un état stable accompagnée par l’émission d’un photon et la formation de CO2. Par la même occasion, l'enzyme se libère pour aller catalyser une autre réaction. Cette réaction peut donc se répéter indéfiniment.