El proceso de foto-catálisis es relativamente simple; sus reacciones ocurren en la superficie del catalizador (semiconductor), y es la adsorción de los compuestos químicos a dicha superficie el primer paso. Una vez adsorbidos, tiene lugar una reacción química, la cual generalmente es de tipo redox (oxidación o reducción foto-catalítica). La oxidación foto-catalítica se basa en la foto-excitación de un semiconductor sólido como resultado de la absorción de radiación electromagnética, en general, en la zona más próxima del ultravioleta. La radiación provoca la excitación de electrones en la banda de valencia del sólido, lo que origina la formación de huecos caracterizados por un potencial de oxidación muy elevado.

Los electrones (e^-) y los huecos (h⁺) generados migran a la superficie del semiconductor, y una vez ahí, reaccionan con los compuestos adsorbidos reduciéndolos y oxidándolos, respectivamente. En los huecos no sólo se produce la oxidación de compuestos orgánicos adsorbidos; también es posible que tenga lugar la descomposición del agua para originar radicales hidroxilo (HO∙), los cuales a su vez participan en las reacciones de degradación de la materia orgánica. A esta degradación generalmente se le denomina mineralización, ya que los compuestos químicos se oxidan formando compuestos inocuos al medio ambiente, tales como CO₂, H₂O y ácidos minerales. Los electrones y huecos generados pueden asimismo reaccionar entre ellos (recombinación), disminuyendo con ello la eficiencia del proceso de foto-catálisis.