Первые проявления интереса к взаимосвязи химических веществ и состояния окружающей среды можно проследить в XVII–XVIII веках, когда алхимики и ранние химики фиксировали влияние промышленных отходов на воду и почву. Наблюдения за загрязнением рек в Европе привели к систематическим исследованиям качества воды, появлению методов количественного анализа химических элементов и соединений. В это время формировалась концепция, что химические вещества, попадая в природу, могут вызывать изменения, негативно сказывающиеся на здоровье человека и животных.
В XIX веке произошёл качественный скачок в развитии химии окружающей среды. Появились первые исследования химического состава воздуха и воды в промышленных районах. Фридрих Вёлер и Роберт Бунзен изучали химические реакции в водных системах, фиксировали концентрации тяжелых металлов и углекислого газа. В это время начала формироваться токсикологическая составляющая экологической химии — анализ влияния химических веществ на живые организмы. Эксперименты с выявлением ядовитых свойств свинца, ртути и мышьяка стали фундаментом для будущей науки о загрязнении и его последствиях.
XX век ознаменован переходом от отдельных наблюдений к систематическим исследованиям химических загрязнений. Развивалась промышленная химия, увеличивалось количество выбросов, что стимулировало создание лабораторных методов для мониторинга окружающей среды. В 1920–1930-е годы в Европе и США появились первые методики определения концентрации токсичных веществ в воде, почве и воздухе. Одновременно с этим развивались принципы биохимического контроля за токсичностью химических соединений, что стало основой для экологического мониторинга.
После Второй мировой войны наблюдался бурный рост промышленного производства и использование синтетических органических соединений. Увеличение масштабов загрязнений вызвало необходимость объединения знаний химии, биохимии и экологии. В 1950–1960-е годы появляются первые международные исследования воздействия пестицидов, нефтепродуктов и тяжёлых металлов на экосистемы. В это время формируется представление о глобальном цикле химических элементов и роли антропогенных факторов в нарушении природного равновесия.
1970-е годы отмечены официальным признанием экологической химии как научной дисциплины. Появляются специализированные кафедры и лаборатории в университетах, выпускаются первые учебники и монографии по химии загрязнений. Вводятся стандарты качества воздуха и воды, развиваются методы анализа микроконцентраций химических веществ, создаются системы наблюдения за глобальными химическими процессами. Научное внимание сосредоточивается на выявлении источников загрязнений, понимании механизмов трансформации химических соединений в природе и оценке их биологической активности.
С конца XX века экологическая химия активно интегрируется с другими научными направлениями: химической токсикологией, геохимией, экологической микробиологией, климатологией. Разрабатываются методы прогнозирования загрязнений, моделирования их переноса и трансформации в экосистемах. Современная экологическая химия опирается на высокоточные аналитические технологии — спектрометрию, хроматографию, масс-спектрометрию — и на комплексный подход к изучению химических процессов, влияющих на биосферу. Особое внимание уделяется изучению долговременных последствий загрязнений, биоаккумуляции химических веществ и разработке экологически безопасных технологий производства и потребления химических соединений.
Экологическая химия эволюционировала от разрозненных наблюдений и экспериментов к высокотехнологичной научной дисциплине, которая сочетает фундаментальные химические знания с практическими инструментами защиты окружающей среды и здоровья человека.