Τα άτομα συνδυάζονται μέσω της παροχής και της αποδοχής αρνητικά φορτισμένων ηλεκτρονίων, σχηματίζοντας έναν ιοντικό δεσμό ή μοιράζονται ηλεκτρόνια, σχηματίζοντας έναν ομοιοπολικό δεσμό. Τυπικά, σχηματίζονται ιοντικοί δεσμοί μεταξύ μετάλλων και μη μετάλλων, ενώ ομοιοπολικοί δεσμοί σχηματίζονται μόνο μεταξύ μη μετάλλων. Ο αριθμός οξείδωσης ενός ατόμου αντιπροσωπεύει τον αριθμό των ηλεκτρονίων που έχει δώσει, αποδέχεται ή μοιράζεται με άλλα άτομα και θα είναι θετικός όταν έχει χάσει ή μοιράζεται ηλεκτρόνια και αρνητικός όταν έχει αποκτήσει ή μοιράζεται τα ηλεκτρόνια άλλου ατόμου.
Αρχικά, οξείδωση σήμαινε συνδυασμός με οξυγόνο. η αντίθετη διαδικασία, η απομάκρυνση του οξυγόνου, ήταν γνωστή ως αναγωγή. Για παράδειγμα, όταν το ασβέστιο συνδυάζεται με το οξυγόνο, το οξυγόνο αφαιρεί δύο ηλεκτρόνια από το ασβέστιο, αποκτώντας φορτίο -2, αφήνοντας το ασβέστιο με φορτίο +2. Έχει σχηματιστεί ένας ιονικός δεσμός. Το ασβέστιο έχει οξειδωθεί και το οξυγόνο έχει μειωθεί, δίνοντάς τους αριθμούς οξείδωσης +2 και -2, αντίστοιχα. Ο ομοιοπολικός δεσμός περιλαμβάνει επίσης οξείδωση και αναγωγή: για να σχηματιστεί νερό, δύο άτομα υδρογόνου ενώνονται με ένα άτομο οξυγόνου, το καθένα μοιράζεται ένα ηλεκτρόνιο μαζί του. Οι αριθμοί οξείδωσης των δύο ατόμων υδρογόνου είναι το καθένα +1 και το άτομο οξυγόνου -2.
Η οξείδωση δεν χρειάζεται να περιλαμβάνει οξυγόνο. σήμερα, οξείδωση σημαίνει απλώς απώλεια ηλεκτρονίων και αναγωγή, κέρδος ηλεκτρονίων. Κατά κανόνα, τα στοιχεία προς την κάτω αριστερή γωνία του περιοδικού πίνακα έχουν τη μεγαλύτερη τάση να χάνουν ηλεκτρόνια, ενώ εκείνα προς την επάνω δεξιά γωνία έχουν τη μεγαλύτερη τάση να αποκτούν ηλεκτρόνια. Το οξυγόνο έχει ισχυρή τάση να απομακρύνει ηλεκτρόνια από άλλα στοιχεία και επομένως είναι οξειδωτικός παράγοντας. Ωστόσο, άλλα στοιχεία μπορούν επίσης να οξειδωθούν. Το φθόριο, για παράδειγμα, είναι ένας ακόμη ισχυρότερος οξειδωτικός παράγοντας.
Ο αριθμός οξείδωσης του οξυγόνου είναι συνήθως -2, αλλά πολλά στοιχεία μπορεί να έχουν περισσότερους από έναν πιθανούς αριθμούς οξείδωσης. Για το σίδηρο μπορεί να είναι +2 ή +3, ενώ για το υδρογόνο είναι +1 όταν συνδυάζεται με αμέταλλα, όπως στο νερό (H2O), αλλά -1 όταν συνδυάζεται με μέταλλα, όπως στο υδρίδιο του νατρίου (Na+H-) , όπου δέχεται ένα ηλεκτρόνιο. Ο αριθμός οξείδωσης του αζώτου μπορεί να κυμαίνεται από -3 έως +5. Οι αριθμοί οξείδωσης των ιόντων σε μια ιοντική ένωση είναι ισοδύναμοι με τα φορτία των ιόντων, ενώ εκείνοι των ατόμων μιας ένωσης αθροίζονται πάντα στο μηδέν.
Τα στοιχεία μπορούν να συνδυαστούν για να σχηματίσουν ιόντα που έχουν συνολικό αριθμό οξείδωσης. Για παράδειγμα, ένα άτομο θείου μπορεί να συνδυαστεί με τέσσερα άτομα οξυγόνου για να σχηματίσει μια θειική ομάδα (SO42-) με αριθμό οξείδωσης -2. Η αμμωνία, μια ένωση αζώτου και υδρογόνου με τον τύπο NH3, μπορεί να συνδυαστεί με ένα επιπλέον άτομο υδρογόνου για να σχηματίσει την ομάδα αμμωνίου NH4+, με αριθμό οξείδωσης +1. Αυτό συμπεριφέρεται σαν μέταλλο και σχηματίζει ιοντικές ενώσεις όπως το θειικό αμμώνιο ((NH4+)2SO42-), όπου δύο ομάδες αμμωνίου συνδυάζονται με μία θειική ομάδα.