1958년 10월 대한노총 전국 대의원대회에서 화학 관련 업종 노동조합을 산별노동조합으로 통합하기로 결정하였다. 1959년 4월 동양제과, 합동제분 등 12개 화학 공장 노동자 대표 29명이 참여하여 전국화학노동조합연맹을 결성한 것이 화학노동조합의 전국적 조직의 시초이다. 1961년 5월 군사쿠데타가 일어나고, 국가재건 최고회의 포고령 6호로 모든 노조가 해산되었고, 노동관계법의 효력이 정지되었다.
1961년 8월 근로자의 단체활동에 관한 임시조치법이 공포되자, 대표자 39명이 참가하여 산업별 체제인 전국화학노동조합을 결성하였다. 1964년 12월에는 단체교섭의 효과적 수행을 위하여 업종별 분과위원회를 설치·운영하는 한편, 조직의 확대에 따라 1965년 5월에는 기관지를 창간하였다. 1975년 2월 국제화학·에너지노동조합연맹(ICEF, 현재 ICEM)에 가입하였으며, 1977년 1월에는 조합원수 10만 명을 넘어섰다. 1980년 12월 말에 국가보위비상입법회의에서 노동관계법이 개정됨에 따라 1981년 2월 기업별 노조체제로 개편되었다. 1984년 13만여 명의 조합원과 220개 가맹 조직으로 성장하였으며, 연맹 지역협의회를 설치·운영하였다.
1987년 6월 민주화운동과 노동자대투쟁에 전국화학노동조합연맹 노조들도 참여하였으며, 1988년 5월 고무 업종이 분리되어 고무산업노련을 출범시켰다. 1996년 12월 노동법 날치기에 항의하는 1차 총파업에 213개 노조, 조합원 43,686명이 참여하였고, 1997년 1월 2차 총파업에 374개 노조, 조합원 65,000명이 참여하였다. 2001년 1월 한국노총 제조부문 노동조합 연대회의(KMCS) 결성에 참여하였다.
전국화학노동조합연맹은 2011년 현재 428개 조직, 조합원 51,657명이며, 지방본부 17개, 1개 지부(제주)가 있으며, 시멘트, PVC, 유리, 콘크리트.레미콘, 일반화학, 페인트, 석유정제,제지 등 17개 업종 분과위원회를 두고 있다.