化學方法比物理方法改性交聯度高，且能獲得均勻一致的交聯，對調節、控制膠原的各性質均有效。已廣泛應用于各種化學試劑交聯膠原，以提高其交聯度、力學性能及生物相容性。化學改性法具體又可分為使用化學試劑交聯、側鏈的修飾、生理活性物的固定化三種方法。
化學試劑交聯法中常用的化學交聯劑有戊二醛、己異二氰酸酯、碳化二亞胺、疊氮二苯基磷等，其中戊二醛是應用最廣泛的試劑，大量實驗證明：戊二醛能提供有效交聯，但有細胞毒性，且其用量難以控制。另外，隨著交聯度的增加，吸水能力和膨脹度卻會降低。酰基疊氮化物、聚環氧化物或京尼平交聯等，不會引入明顯的毒性，且可獲得理想的交聯效果。所見報道中，多使用單一交聯劑對膠原蛋白交聯改性，但也有使用混合交聯劑的，如為了解決人工心臟瓣膜晚期鈣化問題，篩選出環氧丙烷化學改性戊二醛處理生物瓣的方法，可明顯減低瓣膜組織膠原蛋白末端游離羧基含量。動物實驗表明，經改性后的瓣膜組織能保持較好的組織穩定性和機械抗張強度、免疫原性測試為陰性，符合臨床應用。 [131-133]
側鏈修飾就是對膠原分子側鏈的氨基和羧基進行化學修飾，改善電荷分布，使膠原獲得新的特性，例如將膠原氨基丁二酰化，可變成負電荷豐富的膠原。與未修飾膠原蛋白相比血小板粘附能，血纖維蛋白形成能都弱，有抗栓性；然而如將膠原羧基甲基化獲得的正電荷豐富的膠原，生理條件下血小板粘附能、活化能都高。與交聯改性相比，在生物材料領域，利用側鏈修飾對膠原改性所做的工作還較少。 [134]
化學方法雖然可獲得均勻一致的交聯，但存在著引入外源有毒試劑，殘留試劑難清除等缺點。一些報道表明，低溫等離子體技術改性膠原或膠原復合膜可使材料表面引入不同基團，改變材料表面化學組分和結構，從而改變材料的特性，如使之更具有細胞識別位，提高表面能，改善表面極性等。