Изомериза́ция, превращения химических соединений в соединения другого строения без изменения состава и молекулярной массы (т. е. в изомеры). При изомеризации может изменяться углеродный скелет молекулы, положение кратных связей, природа функциональных групп или их положение в молекуле, геометрическая конфигурация комплексного соединения, пространственное расположение атомов или атомных групп относительно плоскости кратной связи, вокруг асимметричного центра, происходить образование или раскрытие, сужение или расширение цикла.

Процессы изомеризации имеют практическое значение, например изомеризация углеводородов при крекинге, риформинге или пиролизе нефтяных фракций с целью получения более качественного моторного топлива, изомеризация оксима циклогексанона в капролактам, используемый в производстве капрона и др. Многие процессы изомеризации известны как именные реакции в органической химии (перегруппировка Бекмана, перегруппировка Коупа и др.).

Термин «изомеризация» применяется также для объяснения образования продуктов реакции, структура которых не вытекает из традиционных схем родственных процессов. В этом случае различные направления реакции могут быть обусловлены как изомеризацией на стадии образования интермедиатов, так и изомеризацией первично образующегося соединения в соединение термодинамически более выгодной структуры.