La pâte chimique est obtenue par élimination de la lignine et de la quasi-totalité des hémicelluloses des fibres du bois à l’aide de produits chimiques, le plus souvent le sulfate ou le bisulfite. Ce procédé, ne permettant de récupérer que de 45 à 55 % de la matière solide du bois présente au début du traitement, se révèle moins efficace que le procédé mécanique. Cependant, les papiers produits de cette façon sont de qualité supérieure aux papiers de pâtes mécaniques, les fibres étant plus longues et débarrassées des agents oxydants.
De manière générale, les pâtes (mécaniques ou chimiques) ont une couleur brunâtre. Jusqu’à tout récemment, le blanchiment des pâtes était réalisé par adjonction de puissants oxydants, tel le chlore. Ce dernier, outre qu'il représente un risque pour l’environnement, devait être entièrement éliminé de la pâte pour en assurer la permanence. Aujourd’hui, l’industrie papetière a mis au point des techniques de blanchiment utilisant des agents moins nocifs pour l’environnement mais tout aussi efficaces. Pour la plupart, les papiers employés pour la conservation préventive sont produits à l’aide des pâtes chimiques blanchies.
Ce type de pâte est obtenu par cuisson des copeaux de bois en présence d’une solution alcaline (pH élevé). Le procédé permet ainsi d’éliminer une grande partie de la lignine présente dans le bois et de ne conserver que les fibres de cellulose.
La pâte chimique est utilisée pour la fabrication de papiers à usages nobles et à plus longue durée d’utilisation.
Pour éliminer la lignine, il faut faire subir au bois des cuissons en présence de réactifs chimiques puissants. Deux procédés sont employés principalement de nos jours : un procédé acide, au bisulfite, et un procédé alcalin, au sulfate. La préparation de ces pâtes chimiques se fait dans de grandes lessiveuses cylindriques verticaux, à température élevée et sous forte pression. Les incrustants sont dissouts par cuisson dans le liquide actif, tandis que la cellulose est fragmentée pour être convertie en pâte à papier liquide, équivalent à quelques grammes de matière sèche par litre. La pâte chimique proprement dite est à faible rendement : seulement 45 % à 55 % de la matière première est récupérée. La pâte mi-chimique, elle, est à haut rendement (65 % à 70 %) car des conditions de cuisson plus légères conservent une portion importante d’hémicelluloses et une partie de la lignine.