Một định nghĩa hữu ích về chất gây ô nhiễm không khí là hợp chất được con người đưa trực tiếp hoặc gián tiếp vào khí quyển với số lượng đủ lớn để ảnh hưởng xấu đến con người, động vật, thực vật hoặc vật liệu. Ô nhiễm không khí đòi hỏi một định nghĩa rất linh hoạt cho phép thay đổi liên tục.
Khi luật về ô nhiễm không khí đầu tiên được thiết lập ở Anh vào thế kỷ XIV, các chất gây ô nhiễm không khí bị giới hạn ở các hợp chất có thể nhìn thấy hoặc ngửi thấy – một sự khác biệt lớn so với danh sách rộng rãi các chất độc hại được biết đến ngày nay. Khi công nghệ phát triển và kiến thức về các khía cạnh sức khỏe của các hóa chất khác nhau tăng lên, danh sách các chất gây ô nhiễm không khí đã dài ra. Trong tương lai, ngay cả hơi nước cũng có thể được coi là một chất gây ô nhiễm không khí trong một số điều kiện nhất định.
Nhiều chất gây ô nhiễm không khí quan trọng hơn, chẳng hạn như oxit lưu huỳnh, carbon monoxide và oxit nitơ, được tìm thấy trong tự nhiên. Khi Trái Đất phát triển, nồng độ của các chất ô nhiễm này đã bị thay đổi bởi các phản ứng hóa học khác nhau; chúng trở thành thành phần trong chu trình sinh địa hóa.
Các chu trình này đóng vai trò như một sơ đồ thanh lọc không khí bằng cách cho phép các hợp chất di chuyển từ không khí sang nước hoặc đất trên quy mô toàn cầu. Sản lượng tự nhiên của các hợp chất này lấn át những gì do các hoạt động của con người tạo ra. Tuy nhiên, sản xuất của con người thường xảy ra ở một khu vực cục bộ, chẳng hạn như một thành phố.
Trong các khu vực cục bộ này, sản lượng của con người có thể chiếm ưu thế và có thể tạm thời làm quá tải sơ đồ thanh lọc tự nhiên của chu trình. Kết quả là nồng độ hóa chất độc hại trong không khí tăng lên. Nồng độ mà các tác động bất lợi xuất hiện sẽ lớn hơn nồng độ mà các chất ô nhiễm sẽ có khi không có các hoạt động của con người.
Nồng độ thực tế không cần phải lớn để một chất là chất ô nhiễm; trên thực tế, giá trị số cho chúng ta biết rất ít cho đến khi chúng ta biết mức tăng này đại diện cho mức tăng bao nhiêu so với nồng độ sẽ xảy ra tự nhiên trong khu vực. Ví dụ, lưu huỳnh dioxide có tác động đến sức khỏe có thể phát hiện được ở mức 0,08 phần triệu (ppm), cao hơn khoảng 400 lần so với mức tự nhiên của nó. Tuy nhiên, carbon monoxide có mức tự nhiên là 0,1 ppm và thường không phải là chất ô nhiễm cho đến khi mức của nó đạt khoảng 15 ppm.
