Yleisin tuholaistorjuntamenetelmä on torjunta-aineiden käyttö – kemikaalien, jotka joko tappavat tuholaisia tai estävät niiden kehitystä. Torjunta-aineet luokitellaan usein sen mukaan, mitä tuholaista niillä pyritään torjumaan. Esimerkiksi hyönteismyrkkyjä käytetään hyönteisten torjuntaan, rikkaruohomyrkkyjä kasvien torjuntaan, sienimyrkkyjä sienten torjuntaan, jyrsijämyrkkyjä jyrsijöiden torjuntaan, lintumyrkkyjä lintujen torjuntaan ja bakteerimyrkkyjä bakteerien torjuntaan. Torjunta-aineisiin kuuluvat myös kemosterilantit ja kasvun säätelijät, joita käytetään häiritsemään tuholaisen normaalia lisääntymistä tai kehitystä.

Tuholaisten kemiallinen torjunta alkoi todennäköisesti myrkyllisistä kasviyhdisteistä. 1700- ja 1800-luvuilla maanviljelijät jauhoivat tiettyjä kasveja, jotka olivat myrkyllisiä hyönteisille tai jyrsijöille – kasveja, kuten krysanteemeja tai tupakkaa. Kasvi-”keittoa” levitettiin sitten suoraan joko viljelykasveille tai tuholaisille. Myöhemmin kemistit keksivät, että he voivat uuttaa myrkyllisiä yhdisteitä näistä myrkyllisistä kasveista ja levittää niitä nestemäisinä suihkeina. Sellaisia kemikaaleja kuin nikotiini, petroli, kivihiiliterva, kreosootti, tärpätti ja pyretrium (jota saatiin eräästä krysanteemityypistä) uutettiin lopulta käytettäväksi suihkeina. Tällaiset orgaaniset yhdisteet korvattiin lopulta tehokkaammilla epäorgaanisilla kemikaaleilla, kuten arseenilla, kalkilla, rikillä, strykniinillä ja syanidilla.

Synteettisten orgaanisten yhdisteiden tulon myötä toisen maailmansodan aikana tuholaistorjunnassa tapahtui dramaattinen muutos. Synteettisten yhdisteiden DDT:n (diklooridifenyylitrikloorietaani) – jota käytettiin laajalti tauteja levittäviä hyönteisiä vastaan – ja BHC:n (bentseeniheksakloridi) hyönteismyrkkyjen torjuntaominaisuuksien löytyminen sodan aikana teki ajatuksen tuholaisvapaista viljelykasveista realistiseksi. Toisen synteettisen orgaanisen yhdisteen, selektiivisen rikkakasvien torjunta-aineen 2,4-D (2,4-dikloorifenoksietikkahappo) kehittäminen johti muiden selektiivisten rikkakasvien torjunta-aineiden kehittämiseen.

DDT:n, 2,4-D:n ja BHC:n keksimisen jälkeen tutkijat alkoivat kehittää muitakin synteettisiä orgaanisia torjunta-aineita, erityisesti kasvunsäätelijöitä, sytostaattimyrkkyjä, pyretroideja (yhdisteitä, joilla on samankaltaiset hyönteisten torjuntaominaisuudet kuin pyretrumilla) ja orgaanisia fosfaatteja. Tutkimusta laajennettiin muiden, ei-kemiallisten tuholaistorjuntamenetelmien kehittämiseksi sen jälkeen, kun havaittiin torjunta-aineiden haitallinen pysyvyys ympäristössä. 1950-luvulla havaittiin, että DDT ja siihen liittyvät yhdisteet eivät hajoa helposti ympäristössä. DDT:n suuri stabiilisuus johtaa sen kertymiseen hyönteisiin, jotka muodostavat muiden eläinten ravinnon. Näillä korkeilla DDT-pitoisuuksilla on myrkyllisiä vaikutuksia eläimiin, erityisesti tiettyihin lintuihin ja kaloihin. Tutkijat havaitsivat myös, että monet hyönteislajit kehittävät nopeasti populaatioita, jotka ovat vastustuskykyisiä torjunta-aineelle. (Ks. myös ekologia; saastuminen, ympäristön saastuminen.)

1960-luvulle tultaessa DDT:n arvo hyönteismyrkkynä oli vähentynyt, ja 1970-luvulla sen käytölle asetettiin ankaria rajoituksia. Yhdysvalloissa vuoden 1972 liittovaltion ympäristötorjuntalaki (Federal Environmental Pesticide Control Act of 1972) ja vuonna 1972 hyväksytty liittovaltion hyönteis-, sieni- ja jyrsijämyrkkyjen torjunta-ainetta koskeva laki (Federal Insecticide, Fungicide, and Rodenticide Act) edellyttivät, että torjunta-aineiden valmistajien on suoritettava tieteellisiä testejä minkä tahansa uuden torjunta-aineen biologisesta aktiivisuudesta, vikaantumisalttiudesta, pysyvyydestä ja myrkyllisyydestä ennen kuin kemikaali voidaan saattaa markkinoille. 1980-luvun lopulla torjunta-ainetuotteen kehittäminen ja rekisteröinti maksoi keskimäärin 10 miljoonaa dollaria. 1960- ja 1970-luvuilla yleisö esitti vastalauseita torjunta-aineiden summittaisesta käytöstä. Vuonna 1970 perustettiin ympäristönsuojeluvirasto (Environmental Protection Agency, EPA), jonka tehtävänä oli selvittää torjunta-aineiden laajamittaisen käytön aiheuttamat aiemmat ja mahdolliset tulevat ympäristövahingot sekä laatia ohjelmia ympäristöongelmien torjumiseksi.

Vaihtoehtoisena konseptina otettiin käyttöön integroidun tuholaistorjunnan käsite monien maatalouden tuholaisten osalta. Tähän lähestymistapaan kuuluu muita kuin kemiallisia tuholaistorjuntamenetelmiä, kuten viljelykasvien poissulkeminen, viljelykierto, puhtaanapito ja biologinen torjunta. Nämä menetelmät täydentävät muita tuholaistorjuntaohjelmia, joiden tarkoituksena on minimoida torjunta-aineiden käyttö.