Хемосорбция протекает со значительным тепловым эффектом (десятки и сотни ккал/моль) и часто требует заметной энергии активации. Хемосорбция может быть как обратимой, так и необратимой (в том смысле, как обычно принято понимать обратимость химических реакций). Как всякая химическая реакция хемосорбция специфична, она определяется природой адсорбента и адсорбата и сопровождается изменением электронной структуры взаимодействующих молекул. В отличие от обычных химических реакций хемосорбция протекает только в мономолекулярном слое на поверхности раздела фаз.

Хемосорбция всегда локализована на определенных центрах, имеющих соответствующий запас энергии. Подвижность адсорбированных молекул сводится к миграции их от одного центра к другому, но для этого также требуется определенная энергия активации. В общем виде показана зависимость между потенциальной энергией молекулы и расстоянием ее от поверхности, на которой она адсорбируется физически или хемосорбируется. Из сопоставления кривых следует, что теплота хемосорбции больше теплоты физической адсорбции и что при хемосорбции молекула подходит к поверхности ближе, чем при физической адсорбции. По мере того как молекула приближается к поверхности, она испытывает вначале влияние физических сил притяжения, которые действуют на больших расстояниях, чем силы химической связи, и «поэтому изменение энергии молекулы отвечает кривой. Может ли молекула хемосорбироваться и будет ли дальнейшее изменение ее энергии соответствовать кривой, определяется способность молекулы достичь уровня, в которой возможен переход. Для этого молекула должна обладать энергией большей, чем величина.