Ilmakemia on ilmakehätieteisiin kuuluva luonnontieteiden ala, joka tutkii ilman reaktiivisia yhdisteitä kemiallisia prosesseja ja lähteitä ilmakehässä. Ilmakemia koskettaa monia muita tieteenaloja kuten kemiaa, meteorologiaa, fysiikkaa ja biologiaa.
Ilmakehän kemiallinen rakenne ja sen muutokset ovat tärkeitä, koska se vaikuttaa elollisen luonnon selviämiseen maapallolla. Esimerkkejä ilmakemian tutkimista ongelmista ovat happamoituminen, otsonikato, ilmansaasteet ja ilmaston lämpenemiseen liittyvät tekijät.
Monet ilmakemian keskeisistä teorioista on kehitetty vasta 1970- ja 1980-luvuilla. Esimerkki tällaisesta on otsonikato, jonka löytyminen Etelämantereelta 1985 vaati uusia teorioita sen kemian selittämiseksi.