Toidu keemilist säilitamist on praktiseeritud sellest ajast peale, kui inimene hakkas toitu hilisemaks kasutamiseks säilitama. Toidu säilitamine tõstatas riknemise probleemi, mida tavaliselt põhjustavad mikroorganismid, nagu bakterid, seened ja pärmseened. Lisaks toidu mittesöödavaks või isuäratavaks muutmisele võib mikroobide tegevus põhjustada potentsiaalselt surmaga lõppevat toidumürgitust. Ajaloo jooksul on toidu riknemise ärahoidmiseks kasutatud mitmesuguseid kemikaale ja nende kasutamine pärineb palju enne hetke, mil mikroorganismide olemasolu esimest korda kahtlustati. Need kemikaalid ulatuvad looduslikult esinevatest ainetest, nagu sool, suhkur, soolapeetrid ja vürtsid, kuni tänapäevaste toidu lisaaineteni, nagu bensoaadid, sorbaadid ja sulfitid.
Kaks vanimat toidu säilitusainet on sool ja suhkur, mis eemaldavad elusatest mikroobirakkudest vett, põhjustades surma või takistades nende kasvu. Soovitud efekti saavutamiseks tuleb kasutada ligikaudu kuus korda rohkem suhkrut kui soola, kuid mõlemat tuleb kasutada suhteliselt suurtes kogustes, et olla tõhus, ja see piirab ilmselgelt nende kasutamist, kuna need annavad toidule tugeva maitse, eriti soola puhul. Seetõttu kasutatakse neid seal, kus nende maitse sobib toiduainete maitsega, nii et soola kasutatakse liha ja suhkrut puuviljade jaoks. Paljud ürdid ja vürtsid sisaldavad kemikaale, mis võivad tappa mikroorganisme ning neid on kasutatud ka säilitusainetena. Küüslauk, sibul, piment ja pune on eriti tõhusad bakterite hävitamisel.
Naatrium- ja kaaliumnitraati, tuntud ka kui salpeetrit, on liha säilitamiseks ja soolamiseks kasutatud sajandeid ning kasutatakse ka tänapäeval. Bakterid redutseerivad nitraadid (NO3-) nitrititeks (NO2-) ja seejärel lämmastikoksiidiks (NO), mis hävitab ensüümi ferredoksiini, mida mõned bakterid kasutavad energia saamiseks, näiteks botulismi põhjustav bakter Clostridium botulinum. Sel põhjusel peetakse nitraate või nitriteid kuivatatud lihatoodetes, nagu sink, peekon ja vorstid, hädavajalikuks. See toiduainete keemilise säilitamise vorm on aga vastuoluline; nitritid võivad reageerida lihas sisalduvate kemikaalidega, moodustades nitrosoamiine, mis on kantserogeensed. Nitraadid ja nitritid ei ole tõhusad mikroorganismide vastu, mis ei kasuta ferredoksiini – näiteks salmonella.
20. sajandil kasutusele võetud toiduainete keemilise säilitamise meetodite hulgas on mõnede orgaaniliste hapete, näiteks bensoe-, propioon- ja sorbiinhapete, näiteks naatriumbensoaadi, naatriumpropionaadi ja kaaliumsorbaadi soolade kasutamine. Mikroobirakkudesse imendudes häirivad need kemikaalid raku transpordisüsteemi, mis võimaldab toitainetel läbi rakumembraani imenduda, takistades nende kasvu. Need on madalal kontsentratsioonil tõhusad paljude bakterite ja hallitusseente vastu ega mõjuta tavaliselt toidu maitset; kuid üldiselt töötavad need kõige paremini üsna madala pH juures, mistõttu on need kõige sobivamad kasutamiseks happelistes toitudes, nagu puuviljamahl, gaseeritud joogid ja salatikastmed. Parabeenid – hüdroksüparabensoehappe estrid – on tõhusad laiemas pH vahemikus.
Sulfitid ja metabisulfitid eraldavad vääveldioksiidi, mis lahustub vees, moodustades väävelhappe. Tundub, et see toimib sarnaselt orgaaniliste hapetega ja on eriti tõhus pärm- ja hallitusseente, sealhulgas aflatoksiine tootvate seente vastu. Neid säilitusaineid kasutatakse sageli kuivatatud puuviljades ja veinis; kuid nende kasutamine lihas ei ole lubatud, kuna need muudavad värvi punaseks ja võivad varjata kõdunemislõhna, muutes riknenud liha värskeks. Mõned astmahaiged on vääveldioksiidi ja selle derivaatide suhtes väga tundlikud ning peavad vältima suhteliselt palju sulfiteid sisaldavaid toite ja jooke.
Antibiootikumide kasutamine toiduainete keemiliseks säilitamiseks ei ole enamikus riikides lubatud, kuna see võib viia antibiootikumiresistentsete bakteritüvede tekkeni. Siiski kasutatakse mõnikord bakteriotsiin-nisiini, kuna erinevalt enamikust bakteriotsiinidest on see efektiivne paljude mikroorganismide vastu. Seda lisatakse mõnele sulatatud juustutoodetele ja mõnele konserveeritud toidule.
Toitu ja toidunõusid töödeldakse mõnikord enne pakkimist teatud kemikaalidega, mitte säilitusainete lisamisega. Näiteks fumigeeritakse puuvilju sageli etüleeni ja propüleeni oksiididega, et tõkestada hallitust. Säilitamisel võivad aidata ka toidule lisatud erinevad maitseained ja antioksüdandid.