Para que la reacción química se produzca es necesaria la presencia de tres componentes esenciales: una molécula bioquímica luminiscente que actúa como sustrato (luciferina), una enzima que cataliza la reacción de oxidación (luciferasa) y oxígeno molecular. Generalmente también son necesarios otros elementos como el ion calcio (Ca2+), el ion magnesio (Mg 2+) o adenosintrifosfato (ATP) para activar el proceso.
La reacción se basa en la oxidación de la proteína luciferina en presencia de la enzima luciferasa, la cual cataliza la reacción incrementando exponencialmente uno de sus parámetros cinéticos, la velocidad. El ATP proporciona la energía necesaria para la obtención de oxoluciferina (luciferina oxidada) en estado excitado. Los átomos de oxoluciferina retornan a su estado fundamental emitiendo el incremento de energía en forma de fotones de luz. Además de luz visible, también se genera CO2 como producto de la reacción.
Su eficiencia en términos energéticos reside en que a diferencia de la mayoría de las reacciones químicas la quimioluminiscencia no genera calor como producto secundario a pesar de la gran intensidad de la luz emitida.
La estructura y composición de la luciferina y la luciferasa así como las características de la reacción son muy diferentes en función de los distintos sistemas biológicos, lo que indicaría distintos orígenes evolutivos. La única característica común en todos los seres vivos que emiten luz es el requerimiento de oxígeno.
En cuanto a su utilidad la bioluminiscencia tiene distintas funciones en los ambientes naturales como la defensa, la comunicación, la reproducción o la depredación (atracción de presas).
El origen de dicho fenómeno está aún sujeto a conjeturas.
