ปฏิกิริยาเคมีคายความร้อนเป็นพลังงานที่ปลดปล่อยความร้อนเนื่องจากความแข็งแรงรวมของพันธะเคมีในผลิตภัณฑ์นั้นแข็งแกร่งกว่าพันธะในสารตั้งต้น
พลังงานศักย์และพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนในพันธะเคมีที่รุนแรง (เช่นพันธะสามเท่าของ N-N ในก๊าซไนโตรเจน) ต่ำกว่าในพันธะเคมีที่อ่อนแอ (เช่นพันธะเดี่ยวของ Br-Br ในก๊าซโบรมีน) เมื่อปฏิกิริยาทางเคมีเกิดขึ้นซึ่งส่งผลให้เกิดพันธะเคมีที่รุนแรงขึ้นในผลิตภัณฑ์เมื่อเทียบกับสารตั้งต้นพลังงานทั้งหมดของอิเล็กตรอนจะลดลง โดยรวมแล้วจะต้องอนุรักษ์พลังงานดังนั้นพลังงานส่วนเกินของผลิตภัณฑ์จึงมักถูกปล่อยออกมาเป็นความร้อน นี่เป็นปฏิกิริยาคายความร้อน ตัวอย่างทั่วไปคือการเผาไหม้ของน้ำมันเบนซินที่มีออกซิเจนในการก่อตัวของน้ำและก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (ซึ่งทั้งสองอย่างนี้มีพันธะที่แข็งแรงผิดปกติ)
ในสถานการณ์ที่พบได้น้อยกว่าการย้อนกลับสามารถเกิดขึ้นได้ หากพันธะในผลิตภัณฑ์นั้นอ่อนแอกว่าสารตั้งต้นปฏิกิริยาจะเกิดจากความร้อนและสิ่งนี้ต้องการความร้อนที่ถูกนำขึ้นมาจากสิ่งแวดล้อมโดยทิ้งผลิตภัณฑ์ไว้ที่อุณหภูมิต่ำกว่าสารตั้งต้น