כימיקלים חקלאיים הם נדבך חיוני בפיתוח חקלאי מודרני, הכולל מוצרים מרכזיים כגון חומרי הדברה, דשנים ומווסת גידול צמחים. האופי המדעי של שיטות הייצור והיישום שלהם משפיע ישירות על יעילות הייצור החקלאי ובטיחות אקולוגית וסביבתית.
מבחינת שיטות הייצור, כימיקלים חקלאיים חייבים לעמוד בזרימת תהליכים קפדנית. לדוגמה, דשני חנקן (כגון אוריאה) מיוצרים בדרך כלל באמצעות תהליך Haber-Bosch כדי לסנתז אמוניה, אשר לאחר מכן מגיבה עם אוריאה. דשני פוספט מסתמכים על הידרוליזה חומצית של סלע פוספט. לדוגמה, ייצור סופר-פוספט דורש תגובה של חומצה גופרתית עם אבקת סלע פוספט. ייצור חומרי הדברה כרוך בכימיה סינתטית אורגנית; לדוגמה, קוטלי חרקים פירטרואידים מיוצרים באמצעות תגובות קטליטיות מרובות-שלבים. מושגי כימיה ירוקה הופכים חשובים יותר ויותר בתהליכי ייצור, כגון שימוש בקטליזה של אנזים כדי להחליף תהליכים מסורתיים ומזהמים מאוד או שימוש בכורים מיקרו-ערוציים כדי לשפר את יעילות התגובה ולהפחית את הפסולת.
מבחינת שיטות היישום, יישום מדויק הוא עיקרון מפתח. יש לקבוע את יחסי הדשן על סמך נתוני בדיקות הקרקע. לדוגמה, שימוש מוגזם של דשן חנקן יכול בקלות להוביל לאאוטרופיקה של מקווי מים, ולכן מומלץ שילוב של יישומים בסיסיים וטיפולים עליון. השימוש בחומרי הדברה חייב להקפיד על מרווחי זמן בטוחים, ויש לתת עדיפות לניסוחים ביוגניים-נמוכים. לדוגמה, תכשירי Bacillus thuringiensis (Bt) מכוונים נגד מזיקים לפידופטרים. יש לשלוט במדויק על הריכוז והתזמון של מווסת גידול צמחים (כגון ג'יברלינים); שימוש מופרז עלול לגרום לגדילה חריגה.
בנוסף, האחסון והשינוע של כימיקלים חקלאיים חייבים לעמוד בתקנות. למשל, יש לאחסן חומרי הדברה דליקים הרחק מאור ובטמפרטורות נמוכות, ולהגן על דשנים מפני רטיבות והתגבשות. בעתיד, עם התקדמות טכנולוגיית החקלאות המדויקת, כימיקלים חקלאיים יתפתחו לכיוון אינטליגנטי (כגון ציוד דישון בשיעור-משתנה) וידידותי לסביבה (כגון סרטי חיפוי מתכלים), לאזן עוד יותר את צרכי הייצור עם קיימות אקולוגית.
