Lorsque le catalyseur et les réactifs sont tous gazeux ou tous en solution (dans l'eau ou dans un autre solvant), on parle de catalyse homogène. Le catalyseur et les réactifs sont donc dans la même phase.
En catalyse homogène, l’efficacité d’un catalyseur est d’autant plus grande que sa concentration en solution est élevée. Cependant, une fois la concentration limite de catalyseur atteinte, l'efficacité de celui-ci n'évolue plus.

Beaucoup de réactions de chimie organique utilisent la catalyse homogène. La réaction d’hydroformylation des alcènes permet, par exemple, la préparation d’aldéhydes (R—CO—H) linéaires et ramifiés.
Pour réaliser cette réaction, un mélange d’alcène, de monoxyde de carbone CO et de dihydrogène H2 est porté à une température comprise entre 120 et 170°C, sous une pression de 150 bar, en présence d’un catalyseur au cobalt : Co2(CO)8.
Le catalyseur et les réactifs sont tous gazeux, la catalyse est donc bien homogène.

Si l’alcène choisi est le propène H3C—CH=CH2, on peut préparer du butanal (aldéhyde linéaire) ainsi que du 2-méthylpropanal (aldéhyde ramifié). Cependant, le produit majoritairement obtenu est le butanal H3C—CH2—CH2—CO—H.
La réaction prépondérante est donc la suivante :
H3C—CH=CH2 + H2 + CO = H3C—CH2—CH2—CO—H
En effet, le catalyseur au cobalt est suffisamment sélectif pour que la production du produit secondaire ramifié soit relativement faible.