溶膠-凝膠法的化學過程首先是將原料分散在溶劑中，然后經過水解反應生成活性單體，活性單體進行聚合，開始成為溶膠，進而生成具有一定空間結構的凝膠，經過干燥和熱處理制備出納米粒子和所需要材料。
其最基本的反應是：
（1）水解反應：M(OR)n + xH2O → M(OH)x(OR)n-x + xROH
（2）聚合反應：-M-OH + HO-M -→ -M-O-M -+ H2O
-M-OR + HO-M -→ -M-O-M -+ ROH
從反應機理上認識，這兩種反應均屬于雙分子親核加成反應。親核試劑的活性、金屬烷氧化合物中配位基的性質、金屬中心的配位擴張能力和金屬原子的親電性均對該反應的活性產生影響。配位不飽和性定義為金屬氧化物總配位數與金屬的氧化價態數的差值，它反映了金屬中心的配位擴張能力。