Além de terem uma importância estratégica para o desenvolvimento econômico e técnico-científico da sociedade, as indústrias químicas também estão associadas a expressivos impactos ambientais, razão pela qual o setor vem desenvolvendo práticas e inovações sustentáveis que viabilizem seu crescimento verde. No Brasil, a implementação dessas práticas encontra obstáculos e desafios ainda pouco compreendidos. Nesse sentido, foi realizado um levantamento bibliográfico submetido a uma análise categorial para a descrição deste cenário institucional problemático. A aplicabilidade dos resultados foi validada por uma pesquisa de opinião, veiculada às empresas do setor, e por um estudo de caso em uma indústria química localizada no município do Rio de Janeiro, RJ/Brasil. As categorias Pesquisa, Desenvolvimento e Inovação (PD&I), Viabilidade Econômica, Atuação do Poder Público, Logística e Conscientização foram identificadas como significativas no cenário de obstáculos e desafios. A pesquisa de opinião indicou que, entre as categorias apresentadas, o grau de dificuldade para a implementação de práticas sustentáveis varia de moderado a crítico na perspectiva das indústrias do setor, com uma maior relevância da Viabilidade Econômica. Por fim, por meio do estudo de caso foi possível compreender como estas categorias se manifestam no contexto prático de uma indústria, possibilitando a identificação de oportunidades de melhoria para a empresa estudada. A integração entre os stakeholders e a elaboração de estratégias sistêmicas são medidas recomendadas para a superação dos desafios e obstáculos identificados no presente estudo.