Algunos procesos metamórficos cambian también la composición química del protolito.
Este tipo de metamorfismo se denomina metamorfismo aloquímico o metasomatismo.

Por ejemplo, el agua de deshidratación expelida durante el metamorfismo puede contener elementos disueltos que son transportados lejos de la roca, modificando la composición del protolito. Casi todos los fluidos metamórficos están saturados en sílice, por lo que el movimiento de esos fluidos por las fracturas y los poros de una roca subsaturada en sílice (como las rocas ultramáficas, o los mármoles dolomíticos) puede alterar drásticamente su composición, generando rocas metamórficas de composiciones muy particulares.

Los procesos metasomáticos son un ejemplo de procesos de interacción agua-roca, y son muy importantes también en medios diagenéticos. La interacción de una roca con un fluido de origen externo, con una composición en volátiles que no está en equilibrio con la mineralogía de la roca, es otro proceso metasomático habitual en ambientes metamórficos. El flujo de agua pura a elevada temperatura a través de una roca puede producir su fusión parcial, la formación de micas o anfíboles a partir de piroxenos en rocas piroxénicas, o la producción de wollastonita a partir de periclasa en mármoles. De esta manera, el metasomatismo puede crear rocas con composiciones extremas que sirvan de protolito en ciclos metamórficos posteriores. Este tipo de rocas metasomáticas son relativamente habituales en áreas de metamorfismo regional y en aureolas de metamorfismo de contacto, pero su contribución volumétrica es subordinada. Aunque son muy interesantes desde un punto de vista petrológico, no se suelen tener en cuenta al discutir el metamorfismo progrado de las diferentes categorías composicionales.