Când oxigenul reacționează chimic cu alți atomi, interacțiunea produce radicali liberi, care sunt atomi care conțin un electron nepereche în învelișul exterior. Radicalii liberi instabili reacţionează rapid cu alţi compuşi, încercând să fure un electron. Când molecula atacată își pierde electronul, se dezvoltă în sine într-un radical liber, declanșând o reacție în lanț. Principala amenințare a radicalilor liberi vine din daunele pe care aceștia le provoacă acidului dezoxiribonucleic celular (ADN) sau membranelor celulare. Daunele radicalilor liberi, care contribuie la cancer, îmbătrânire și o serie de boli, pot fi prevenite cu antioxidanți, care sunt substanțe chimice care donează cu ușurință electroni radicalilor liberi.
Mitocondriile sunt mici organele celulare care generează energie chimică utilă pentru celule prin mișcarea electronilor între molecule. Oxigenul ocupă poziția finală în lanțul de transport de electroni, iar o interacțiune defectuoasă între un electron și oxigen generează forma radicală a oxigenului, cel mai comun radical liber în sistemele vii. Mecanismul principal de deteriorare a radicalilor de oxigen în celulă este mutația ADN-ului celular. În timp ce mecanismele de reparare din celulă pot repara ADN-ul nuclear, ADN-ul mitocondrial (ADNmt) nu poate fi restaurat cu ușurință. Daunele acumulate ale ADNmt se acumulează în timp, ducând la disfuncții mitocondriale extinse, scăderea rezervelor de energie celulară și moartea celulară finală.
Modificările moleculelor sursă de către lumina soarelui creează alți radicali liberi. În atmosfera inferioară, exemplele cele mai notabile sunt disociarea indusă de lumină a dioxidului de azot, producând oxigen și oxid nitric, un ingredient cheie în smog, și fotodisociarea ozonului pentru a forma un atom de oxigen excitat. O sursă importantă de radicali este disocierea clorofluorocarburilor fie prin radiații ultraviolete, fie prin reacții cu alți constituenți stratosferici. Acești radicali liberi distrug stratul de ozon.
Deteriorarea ADN-ului de către radicalii liberi duce la mutații care provoacă malignitate. Ateroscleroza, leziunile hepatice legate de alcool și emfizemul de la fumatul de țigară sunt toate atribuite oxidării induse de radicali liberi a multor substanțe chimice ale corpului. Radicalii liberi pot provoca schizofrenie, boala Alzheimer, boala Parkinson și surditate. Un alt exemplu de deteriorare a radicalilor liberi este deteriorarea pielii care apare la expunerea excesivă la soare. „Teoria radicalilor liberi a îmbătrânirii” propune că radicalii liberi declanșează procesul de îmbătrânire în sine.
Oxidarea este procesul de deteriorare a radicalilor liberi cauzat de oxigenul radical. Antioxidanții sunt molecule care pot dona în siguranță electroni radicalilor liberi, terminând reacția oxidativă în lanț înainte ca moleculele critice să fie deteriorate. Deși mai multe sisteme enzimatice din organism elimină radicalii liberi, principalii antioxidanți de vitamine sau minerale includ vitamina A sau beta-carotenul, vitamina E, vitamina C și seleniul, care este un metal în urmă. Corpul nu produce aceste substanțe nutritive, așa că trebuie obținute ca parte a unei diete bine echilibrate.