Ketika oksigen bereaksi secara kimia dengan atom lain, interaksi tersebut menghasilkan radikal bebas, yaitu atom yang mengandung elektron tidak berpasangan di kulit terluarnya. Radikal bebas yang tidak stabil bereaksi cepat dengan senyawa lain, mencoba mencuri elektron. Ketika molekul yang diserang kehilangan elektronnya, ia berkembang menjadi radikal bebas itu sendiri, memulai reaksi berantai. Ancaman utama dari radikal bebas berasal dari kerusakan yang ditimbulkannya pada asam deoksiribonukleat (DNA) seluler atau membran sel. Kerusakan akibat radikal bebas, yang berkontribusi terhadap kanker, penuaan, dan sejumlah penyakit, berpotensi dapat dicegah dengan antioksidan, yang merupakan bahan kimia yang dengan mudah menyumbangkan elektron kepada radikal bebas.
Mitokondria adalah organel seluler kecil yang menghasilkan energi kimia yang berguna untuk sel dengan memindahkan elektron antar molekul. Oksigen menempati posisi terakhir dalam rantai transpor elektron, dan interaksi yang salah antara elektron dan oksigen menghasilkan bentuk radikal oksigen, radikal bebas paling umum dalam sistem kehidupan. Mekanisme utama kerusakan oksigen radikal dalam sel adalah mutasi DNA seluler. Sementara mekanisme perbaikan dalam sel dapat memperbaiki DNA inti, DNA mitokondria (mtDNA) tidak dapat dengan mudah dipulihkan. Kerusakan mtDNA akumulatif menumpuk dari waktu ke waktu, mengakibatkan disfungsi mitokondria yang luas, pasokan energi sel berkurang dan kematian sel akhir.
Perubahan molekul sumber oleh sinar matahari menciptakan radikal bebas lainnya. Di atmosfer yang lebih rendah, contoh yang paling menonjol adalah disosiasi nitrogen dioksida yang diinduksi cahaya, menghasilkan oksigen dan oksida nitrat, bahan utama dalam kabut asap, dan fotodisosiasi ozon untuk membentuk atom oksigen tereksitasi. Sumber radikal yang penting adalah disosiasi klorofluorokarbon baik oleh radiasi ultraviolet, atau reaksi dengan konstituen stratosfer lainnya. Radikal bebas ini merusak lapisan ozon.
Kerusakan radikal bebas pada DNA menyebabkan mutasi yang menyebabkan keganasan. Aterosklerosis, kerusakan hati terkait alkohol, dan emfisema akibat merokok semua dikaitkan dengan oksidasi akibat radikal bebas dari banyak bahan kimia tubuh. Radikal bebas dapat menyebabkan skizofrenia, penyakit Alzheimer, penyakit Parkinson, dan ketulian. Contoh lain kerusakan akibat radikal bebas adalah kerusakan kulit yang terjadi akibat paparan sinar matahari yang berlebihan. The “radikal bebas teori penuaan” mengusulkan bahwa radikal bebas memicu proses penuaan itu sendiri.
Oksidasi adalah proses kerusakan radikal bebas yang disebabkan oleh oksigen radikal. Antioksidan adalah molekul yang dapat dengan aman menyumbangkan elektron ke radikal bebas, mengakhiri reaksi berantai oksidatif sebelum molekul kritis rusak. Meskipun beberapa sistem enzim dalam tubuh mengais radikal bebas, vitamin atau mineral antioksidan utama termasuk vitamin A atau beta-karoten, vitamin E, vitamin C, dan selenium, yang merupakan trace metal. Tubuh tidak membuat nutrisi ini sehingga harus diperoleh sebagai bagian dari diet seimbang.