化学工业，主要是核化工和基础化工，在包头具有相当规模和雄厚基础。中核燃料元件北方分公司是中国核燃料元件和核材料生产、科研基地。2003年建成重水堆核电站燃料元件生产线，向秦山核电站供货，入堆情况良好。此外该公司已经在2010年建成压水堆核燃料元件生产线，正在建设与第三代核电技术相配套的AP1000核燃料元件生产线，筹备建设高温气冷堆核燃料元件生产线 。明天科技股份有限公司的电石、聚氯乙稀树脂、苯酚、硫酸、盐酸、烧碱、液氯、无水氟化氢、氟化铝、冰晶石、亚硫酸纳等产品，在国内外市场上都有一定名气。中外合资内蒙古天然气、转炉气综合利用项目已经启动首期工程，投产后使包头成为天然气化工生产的基地。

神华包头煤化工项目厂址位于九原区哈林格尔镇包头市规划的新型工业基地内，总体工程包括180万吨/年煤制甲醇装置和60万吨下游产品装置、22.4万标准立方米（氧气）/小时空分装置等，总投资124亿元，拟采用国际上没有实施的尖端技术，建设世界一流的煤化工基地。这是包头市继包钢之后建设的最大工业项目。