作為一種半導體，光催化材料的能帶是不連續的，能量由高到低依次為導帶、禁帶、價帶。

半導體光催化材料一般具有較大的禁帶寬度，價帶由一系列填滿電子的軌道所構成，導帶由一系列末填充電子的軌道所構成。

當光催化材料近表面區在受到能量大于其禁帶寬度的光輻射時，價帶中的電子會受到激發而路遷到導帶。由于其中存在著能隙，所激發的電子的弛豫過程比起金屬中的激發電子要慢得多，一般要有幾個納秒，這樣光的激發就在半導體中產生電子空穴。其中，電子居于較高的能量狀態 ，可作為還原劑；而價帶中的空穴則具有較高的氧化電勢。

只要這些電荷載流子具有足夠長的壽命，能夠被吸附的反應物所捕獲，分別進行氧化或還原反應，而不是復合，那么這個材料就有光催化的能力。

在所有這些半導體催化劑中，二氧化鈦被證明于廣泛應用，這是因為二氧化鈦具有很高的光催化活性和良好的生物、化學惰性，不會發生光腐蝕和化學腐蝕，而且價格相對便宜。