Atom bergabung melalui pemberian dan penerimaan elektron bermuatan negatif, membentuk ikatan ionik, atau berbagi elektron, membentuk ikatan kovalen. Biasanya, ikatan ion terbentuk antara logam dan non-logam, sedangkan ikatan kovalen hanya terbentuk antara non-logam. Bilangan oksidasi suatu atom menyatakan jumlah elektron yang diberikannya, diterima dari atau dibagi dengan atom lain, dan akan positif ketika kehilangan atau berbagi elektron dan negatif ketika memperoleh atau berbagi elektron atom lain.
Awalnya, oksidasi berarti menggabungkan dengan oksigen; proses sebaliknya, penghilangan oksigen, dikenal sebagai reduksi. Misalnya, ketika kalsium bergabung dengan oksigen, oksigen melepaskan dua elektron dari kalsium, memperoleh muatan -2, meninggalkan kalsium dengan muatan +2. Ikatan ionik telah terbentuk; kalsium telah teroksidasi dan oksigen berkurang, memberikan mereka bilangan oksidasi +2 dan -2, masing-masing. Ikatan kovalen juga melibatkan oksidasi dan reduksi: untuk membentuk air, dua atom hidrogen bergabung dengan satu atom oksigen, masing-masing berbagi elektron dengannya. Bilangan oksidasi kedua atom hidrogen adalah masing-masing +1 dan atom oksigen -2.
Oksidasi tidak perlu melibatkan oksigen; hari ini, oksidasi berarti kehilangan elektron dan reduksi, perolehan elektron. Sebagai aturan, unsur-unsur menuju sudut kiri bawah tabel periodik memiliki kecenderungan terbesar untuk kehilangan elektron, sedangkan ke sudut kanan atas memiliki kecenderungan terbesar untuk mendapatkan elektron. Oksigen memiliki kecenderungan kuat untuk menghilangkan elektron dari unsur lain dan karena itu merupakan agen pengoksidasi; namun, unsur lain juga dapat teroksidasi. Fluor, misalnya, adalah zat pengoksidasi yang bahkan lebih kuat.
Bilangan oksidasi oksigen biasanya -2, tetapi banyak unsur dapat memiliki lebih dari satu kemungkinan bilangan oksidasi. Untuk besi bisa menjadi +2 atau +3, sedangkan untuk hidrogen +1 jika digabungkan dengan non-logam, seperti dalam air (H2O), tetapi -1 jika digabungkan dengan logam, seperti pada natrium hidrida (Na+H-) , di mana ia menerima elektron. Bilangan oksidasi nitrogen dapat bervariasi dari -3 hingga +5. Bilangan oksidasi ion-ion dalam senyawa ionik sama dengan muatan ion-ionnya, sedangkan bilangan oksidasi atom-atom dalam senyawa selalu berjumlah nol.
Unsur dapat bergabung untuk membentuk ion yang memiliki bilangan oksidasi keseluruhan. Misalnya, atom belerang dapat bergabung dengan empat atom oksigen membentuk gugus sulfat (SO42-) dengan bilangan oksidasi -2. Amonia, senyawa nitrogen dan hidrogen dengan rumus NH3, dapat bergabung dengan atom hidrogen tambahan untuk membentuk gugus amonium NH4+, dengan bilangan oksidasi +1. Ini berperilaku seperti logam dan membentuk senyawa ionik seperti amonium sulfat ((NH4+)2SO42-), di mana dua gugus amonium bergabung dengan satu gugus sulfat.