Kiedy tlen reaguje chemicznie z innymi atomami, w wyniku interakcji powstają wolne rodniki, które są atomami zawierającymi niesparowany elektron w zewnętrznej powłoce. Niestabilne wolne rodniki szybko reagują z innymi związkami, próbując ukraść elektron. Kiedy atakowana cząsteczka traci swój elektron, sama przekształca się w wolny rodnik, rozpoczynając reakcję łańcuchową. Główne zagrożenie ze strony wolnych rodników wynika z uszkodzeń, jakie wyrządzają one komórkowemu kwasowi dezoksyrybonukleinowemu (DNA) lub błonom komórkowym. Uszkodzeniu przez wolne rodniki, które przyczyniają się do raka, starzenia się i wielu chorób, można potencjalnie zapobiegać za pomocą przeciwutleniaczy, które jako substancje chemiczne łatwo oddają elektrony wolnym rodnikom.
Mitochondria to małe organelle komórkowe, które generują użyteczną energię chemiczną dla komórek poprzez przenoszenie elektronów między cząsteczkami. Tlen zajmuje ostateczną pozycję w łańcuchu transportu elektronów, a wadliwa interakcja między elektronem a tlenem generuje rodnikową formę tlenu, najpowszechniejszego wolnego rodnika w żywych układach. Podstawowym mechanizmem radykalnego uszkodzenia tlenu w komórce jest mutacja DNA komórki. Podczas gdy mechanizmy naprawcze w komórce mogą naprawić jądrowy DNA, mitochondrialnego DNA (mtDNA) nie można łatwo przywrócić. Skumulowane uszkodzenie mtDNA narasta z czasem, powodując rozległą dysfunkcję mitochondriów, zanikające dostawy energii do komórek i ostateczną śmierć komórki.
Zmiany w cząsteczkach źródłowych pod wpływem światła słonecznego tworzą inne wolne rodniki. W niższych warstwach atmosfery najbardziej godnymi uwagi przykładami są indukowana światłem dysocjacja dwutlenku azotu, w wyniku której powstaje tlen i tlenek azotu, kluczowy składnik smogu, oraz fotodysocjacja ozonu z wytworzeniem wzbudzonego atomu tlenu. Ważnym źródłem rodników jest dysocjacja chlorofluorowęglowodorów pod wpływem promieniowania ultrafioletowego lub reakcji z innymi składnikami stratosferycznymi. Te wolne rodniki niszczą warstwę ozonową.
Uszkodzenie DNA przez wolne rodniki prowadzi do mutacji powodujących złośliwość. Miażdżyca tętnic, związane z alkoholem uszkodzenie wątroby i rozedma płuc po paleniu papierosów są przypisywane utlenianiu wielu substancji chemicznych w organizmie wywołanym przez wolne rodniki. Wolne rodniki mogą powodować schizofrenię, chorobę Alzheimera, chorobę Parkinsona i głuchotę. Innym przykładem uszkodzeń spowodowanych przez wolne rodniki jest uszkodzenie skóry, które występuje przy nadmiernej ekspozycji na słońce. „Wolnorodnikowa teoria starzenia” sugeruje, że wolne rodniki wyzwalają sam proces starzenia.
Utlenianie to proces uszkadzania przez wolne rodniki powodowany przez rodnikowy tlen. Przeciwutleniacze to cząsteczki, które mogą bezpiecznie oddawać elektrony wolnym rodnikom, kończąc łańcuchową reakcję utleniania, zanim krytyczne cząsteczki zostaną uszkodzone. Chociaż kilka układów enzymatycznych w organizmie wymiata wolne rodniki, główne przeciwutleniacze witaminowe lub mineralne obejmują witaminę A lub beta-karoten, witaminę E, witaminę C i selen, który jest metalem śladowym. Organizm nie wytwarza tych składników odżywczych, dlatego należy je pozyskiwać w ramach dobrze zbilansowanej diety.