Polymerizace (též polymerace) je chemická reakce, při které z malých molekul (monomerů) vznikají vysokomolekulární látky (polymery).
Polymerizace je základní reakce pro výrobu plastů, syntetických kaučuků a umělých vláken. Uplatňuje se při výrobě a využití laků, polyesterů, laminátů a v lékařství. Polymerizace se vyskytuje též v procesech v živé přírodě, např. při biosyntéze polysacharidů a proteinů.