Bioquímicamente es el proceso a través del cual, los organismos vivos producen luz resultado de una reacción bioquímica en la que comúnmente interviene una enzima llamada luciferasa. La reacción sucede de la siguiente manera: el oxígeno oxida el sustrato (una proteína llamada luciferina); la luciferasa acelera la reacción, y el ATP proporciona la energía para la reacción, produciéndose agua y luz, la cual es muy notoria durante la noche. Se trata de una conversión directa de la energía química en energía lumínica. Es un fenómeno muy extendido en todos los niveles biológicos: bacterias, hongos, protistas unicelulares, celentéreos, gusanos, moluscos, cefalópodos, crustáceos, insectos, equinodermos, peces, medusas. Más de 76% de los animales marinos están conocidos por el hecho que emiten luz.
En siglo XV Robert Boyle descubrió que los hongos bioluminiscentes dejaban de producir luz cuando eran introducidos en un recipiente sin oxígeno, el motivo de este fenómeno no se conoció con detalle hasta las últimas décadas. Los hongos observados por Boyle empleaban el mecanismo de iluminación extracelular a través de la molécula luciferina, activada con la enzima luciferasa. Para que tenga lugar la reacción, la luciferina necesita oxígeno, lo que explica el proceso bioluminiscente.
De momento, el origen del fenómeno de la bioluminiscencia está sujeto a conjeturas.
William McElroy y Howard Seliger, de la Universidad Johns Hopkins en Estados Unidos, postulan la siguiente hipótesis sobre el origen de la luminiscencia bacteriana: durante los tres primeros cuartos de la historia biológica terráquea las formas de vida dominantes eran bacterias anaerobias. La llegada de las cianobacterias alteró el medio al generar estas, como producto excretado por la acción de la fotosíntesis, cantidades masivas de oxígeno nocivo para las bacterias.
