Intimement liée au rôle de l'eau comme solvant universel et comme réactif chimique, l'hydrolyse est une réaction omniprésente dans la nature et dans les activités humaines. Elle participe à la dégradation des déchets organiques, à la nutrition des organismes, à la signalisation cellulaire, à la synthèse et à la dégradation des biomolécules, à la fabrication de nombreux produits industriels et à la régulation des équilibres acido-basiques dans les solutions. Comprendre les mécanismes et les conditions de l'hydrolyse permet non seulement de prédire la stabilité des composés chimiques en milieu aqueux, mais aussi de concevoir des procédés de transformation plus efficaces, des médicaments plus stables et des matériaux mieux adaptés à leur environnement d'utilisation.

Le mécanisme général de l'hydrolyse dépend étroitement de la nature de la liaison à rompre et des conditions du milieu réactionnel. Pour les composés organiques comportant des liaisons ester, amide, glycosidique, phosphoester ou anhydride, l'eau agit comme un nucléophile, c'est-à-dire qu'un doublet non liant de son atome d'oxygène attaque un atome de carbone ou de phosphore appauvri en électrons. Cette attaque conduit à la formation d'un intermédiaire tétraédrique, qui se décompose ensuite pour libérer un groupe partant et donner deux produits distincts. Ainsi, l'hydrolyse d'un ester, comme l'acétate d'éthyle, produit un acide carboxylique et un alcool; l'hydrolyse d'un amide, comme l'urée ou une protéine, produit un acide carboxylique et une amine ou de l'ammoniac; l'hydrolyse d'un polysaccharide comme l'amidon ou la cellulose libère progressivement des molécules de glucose ; et l'hydrolyse d'un anhydride d'acide donne deux molécules d'acide carboxylique.

L'hydrolyse peut se  manifester par la réaction de sels avec l'eau, réaction qui peut rendre une solution acide, basique ou neutre selon la nature des ions issus du sel. Par exemple, le chlorure d'ammonium, en solution aqueuse, subit une hydrolyse partielle de l'ion ammonium, qui libère des ions hydronium et rend la solution légèrement acide. À l'inverse, l'acétate de sodium s'hydrolyse pour donner une solution basique, car l'ion acétate capte un proton de l'eau. Les sels d'acides forts et de bases fortes, comme le chlorure de sodium, ne subissent pratiquement pas d'hydrolyse et donnent des solutions neutres. Les halogénures de nombreux non-métaux, comme le tétrachlorure de silicium, le trichlorure de phosphore ou le chlorure de thionyle, s'hydrolysent vigoureusement au contact de l'eau, parfois de manière violente, en produisant des acides comme l'acide chlorhydrique et des oxydes ou oxoacides correspondants.

L'hydrolyse peut être accélérée ou rendue possible par la présence de catalyseurs acides ou basiques. En milieu acide, un proton se fixe d'abord sur l'atome d'oxygène ou d'azote de la fonction à hydrolyser, ce qui augmente la charge positive partielle du carbone voisin et facilite l'attaque nucléophile de l'eau. En milieu basique, l'ion hydroxyde, bien plus nucléophile que l'eau elle-même, attaque directement le centre électrophile. C'est pourquoi l'hydrolyse des esters est souvent réalisée en présence de soude ou de potasse; on parle alors de saponification, car la réaction d'un corps gras avec une base forte produit du glycérol et des sels d'acides gras, c'est-à-dire du savon. Certaines hydrolyses sont également catalysées par des enzymes spécifiques appelées hydrolases, qui agissent avec une grande sélectivité et à des températures modérées. Les lipases hydrolysent les lipides, les protéases hydrolysent les protéines, les glycosidases hydrolysent les liaisons glycosidiques des sucres complexes, et les phosphatases hydrolysent les liaisons phosphoester.

Dans les systèmes vivants, l'hydrolyse est une réaction fondamentale du métabolisme. La digestion des aliments repose en grande partie sur des réactions d'hydrolyse enzymatique : les protéines alimentaires sont scindées en acides aminés, les polysaccharides en monosaccharides, et les triglycérides en glycérol et acides gras. Ces petites molécules peuvent ensuite être absorbées par les cellules et utilisées comme sources d'énergie ou comme matériaux de construction. À l'intérieur des cellules, l'hydrolyse de l'adénosine triphosphate, appelée ATP, en adénosine diphosphate et phosphate inorganique libère une quantité importante d'énergie, qui est couplée à de nombreuses réactions biochimiques nécessaires à la vie. Cette hydrolyse est si centrale que l'ATP est couramment qualifiée de monnaie énergétique universelle des cellules. L'hydrolyse de l'acétylcholine par l'acétylcholinestérase assure la terminaison rapide de la transmission nerveuse au niveau des synapses cholinergiques, ce qui permet un contrôle précis de la contraction musculaire et des fonctions cognitives.

L'hydrolyse est également un processus important dans les cycles biogéochimiques et dans la dégradation des matériaux naturels ou synthétiques. Dans les sols et les eaux naturelles, les matières organiques mortes, comme les feuilles, le bois ou les cadavres, sont décomposées par des micro-organismes qui sécrètent des hydrolases extracellulaires. Ces enzymes hydrolysent la cellulose, la lignine, les protéines et les lipides en composés plus simples, qui sont ensuite minéralisés ou réutilisés par d'autres organismes. Dans les milieux aquatiques, l'hydrolyse des phosphates organiques libère des ions orthophosphate, qui constituent une forme assimilable du phosphore pour le phytoplancton. Ce processus joue un rôle clé dans la productivité des écosystèmes aquatiques.

L'hydrolyse est également utilisée par l'industrie dans de très nombreux procédés de fabrication et de transformation. L'hydrolyse des matières grasses permet de produire des acides gras et du glycérol, matières premières de la savonnerie, de la cosmétique et de la chimie fine. L'hydrolyse de l'amidon de maïs ou de pomme de terre conduit à la production de sirops de glucose, de fructose et de maltodextrines, largement utilisés dans l'industrie agroalimentaire comme édulcorants ou agents de texture. L'hydrolyse du bois et des résidus agricoles, en présence d'acides dilués ou d'enzymes cellulolytiques, permet d'obtenir des sucres fermentescibles, qui peuvent ensuite être transformés en bioéthanol ou en autres produits issus de la biomasse. L'hydrolyse des protéines animales ou végétales produit des hydrolysats riches en peptides et en acides aminés, utilisés comme arômes, compléments nutritionnels ou milieux de culture pour les micro-organismes.

L'hydrolyse peut aussi être un facteur de dégradation indésirable des médicaments, des pesticides, des polymères et des aliments. De nombreux principes actifs pharmaceutiques comportent des fonctions ester ou amide sensibles à l'eau, ce qui impose de les conserver à l'abri de l'humidité ou de les formuler sous des formes stables. Les polyesters, comme le polytéréphtalate d'éthylène ou les polymères biodégradables à base d'acide polylactique, s'hydrolysent lentement au contact de l'eau, ce qui peut être un avantage pour les emballages compostables ou les sutures chirurgicales résorbables, mais un inconvénient pour les matériaux destinés à un usage prolongé en milieu humide. Les liaisons phosphoester des pesticides organophosphorés s'hydrolysent plus ou moins rapidement dans l'environnement, ce qui détermine en partie leur persistance et leur toxicité résiduelle dans les sols et les eaux.

La cinétique de l'hydrolyse varie selon la nature du substrat, le pH, la température et la force ionique du milieu. Certaines hydrolyses, comme celle du chlorure de sodium ou du saccharose en l'absence de catalyseur, sont extrêmement lentes à température ambiante et à pH neutre, tandis que d'autres, comme l'hydrolyse du tétrachlorure de titane ou du chlorure d'acétyle, sont quasi instantanées et fortement exothermiques. La mesure des constantes de vitesse d'hydrolyse est essentielle en chimie environnementale pour prédire le devenir des polluants, en pharmacie pour estimer la durée de conservation des médicaments, et en biochimie pour comprendre la régulation des voies métaboliques.

Sur le plan thermodynamique, l'hydrolyse est généralement favorisée lorsque les produits formés sont plus stables que le composé de départ, mais elle peut être lente pour des raisons cinétiques, car elle nécessite de surmonter une barrière d'activation élevée. C'est pourquoi de nombreuses réactions d'hydrolyse exigent la présence d'un catalyseur, qu'il soit acide, basique, métallique ou enzymatique. Les ions métalliques, comme le zinc ou le magnésium, jouent un rôle important dans l'hydrolyse enzymatique en polarisant la liaison à rompre ou en activant une molécule d'eau coordonnée, la transformant en un nucléophile plus puissant.