光化学反応（こうかがくはんのう、英語: photochemical reaction, light‐dependent reaction）は、物質が光を吸収して化学反応を起こす現象であり、一般には、色素分子が光エネルギーを吸収し、励起された電子が飛び出し、物質の酸化還元を引き起こすものであるが、特に生物学で光合成の過程に含まれるこのような化学反応を指す。光合成における光化学反応では、特定のクロロフィル分子がこの反応を起こし、還元物質NADPHやATPの合成の源となる。酸素発生型光合成では光化学反応により水を電子供与体として用い、酸素を発生し（=水の光分解）、炭酸ガスを還元する。光合成系に含まれる多数のクロロフィル分子のうち光化学反応を起こすのは特定の分子（二量体）だけなので、クロロフィルの特別ペア (special pair) という。これ以外のクロロフィルは、集光色素または電子受容体などとしてはたらく。 なお、光化学反応は広義には「光化学反応に関わる電子伝達系全て」を指すが、狭義には「光エネルギーの関与する光化学系複合体I、IIの反応」を指す。本記事では広義の光化学反応を解説する。明反応（めいはんのう）などとも呼ばれている。
