Όταν το οξυγόνο αντιδρά χημικά με άλλα άτομα, η αλληλεπίδραση παράγει ελεύθερες ρίζες, οι οποίες είναι άτομα που περιέχουν ένα ασύζευκτο ηλεκτρόνιο στο εξωτερικό περίβλημα. Οι ασταθείς ελεύθερες ρίζες αντιδρούν γρήγορα με άλλες ενώσεις, προσπαθώντας να κλέψουν ένα ηλεκτρόνιο. Όταν το υπό επίθεση μόριο χάνει το ηλεκτρόνιό του, εξελίσσεται σε ελεύθερη ρίζα το ίδιο, ξεκινώντας μια αλυσιδωτή αντίδραση. Η κύρια απειλή από τις ελεύθερες ρίζες προέρχεται από τη βλάβη που προκαλούν στο κυτταρικό δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ (DNA) ή στις κυτταρικές μεμβράνες. Η βλάβη από τις ελεύθερες ρίζες, η οποία συμβάλλει στον καρκίνο, τη γήρανση και μια σειρά από ασθένειες, μπορεί ενδεχομένως να προληφθεί με αντιοξειδωτικά, τα οποία ως χημικές ουσίες που δίνουν εύκολα ηλεκτρόνια στις ελεύθερες ρίζες.
Τα μιτοχόνδρια είναι μικρά κυτταρικά οργανίδια που παράγουν χρήσιμη χημική ενέργεια για τα κύτταρα μετακινώντας ηλεκτρόνια μεταξύ των μορίων. Το οξυγόνο καταλαμβάνει την τελική θέση στην αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων και μια ελαττωματική αλληλεπίδραση μεταξύ ηλεκτρονίου και οξυγόνου δημιουργεί τη ριζική μορφή οξυγόνου, την πιο κοινή ελεύθερη ρίζα στα ζωντανά συστήματα. Ο πρωταρχικός μηχανισμός της ριζικής βλάβης του οξυγόνου στο κύτταρο είναι η μετάλλαξη του κυτταρικού DNA. Ενώ οι μηχανισμοί επιδιόρθωσης στο κύτταρο μπορούν να επιδιορθώσουν το πυρηνικό DNA, το μιτοχονδριακό DNA (mtDNA) δεν μπορεί να αποκατασταθεί εύκολα. Η συσσωρευμένη βλάβη του mtDNA συσσωρεύεται με την πάροδο του χρόνου, με αποτέλεσμα εκτεταμένη μιτοχονδριακή δυσλειτουργία, μείωση των αποθεμάτων ενέργειας των κυττάρων και τελικό κυτταρικό θάνατο.
Οι αλλαγές στα μόρια πηγής από το ηλιακό φως δημιουργούν άλλες ελεύθερες ρίζες. Στην κατώτερη ατμόσφαιρα, τα πιο αξιοσημείωτα παραδείγματα είναι η διάσταση του διοξειδίου του αζώτου που προκαλείται από το φως, που παράγει οξυγόνο και μονοξείδιο του αζώτου, ένα βασικό συστατικό της αιθαλομίχλης, και η φωτοδιάσπαση του όζοντος για να σχηματιστεί ένα διεγερμένο άτομο οξυγόνου. Μια σημαντική πηγή ριζών είναι η διάσταση των χλωροφθορανθράκων είτε από την υπεριώδη ακτινοβολία, είτε από αντιδράσεις με άλλα συστατικά της στρατόσφαιρας. Αυτές οι ελεύθερες ρίζες καταστρέφουν το στρώμα του όζοντος.
Η βλάβη στο DNA από τις ελεύθερες ρίζες οδηγεί σε μεταλλάξεις που προκαλούν κακοήθεια. Η αθηροσκλήρωση, η ηπατική βλάβη που σχετίζεται με το αλκοόλ και το εμφύσημα από το κάπνισμα αποδίδονται όλα στην οξείδωση πολλών από τις χημικές ουσίες του σώματος που προκαλείται από ελεύθερες ρίζες. Οι ελεύθερες ρίζες μπορεί να προκαλέσουν σχιζοφρένεια, νόσο του Αλτσχάιμερ, νόσο του Πάρκινσον και κώφωση. Ένα άλλο παράδειγμα βλάβης από ελεύθερες ρίζες είναι η βλάβη του δέρματος που συμβαίνει με την υπερβολική έκθεση στον ήλιο. Η «θεωρία των ελεύθερων ριζών της γήρανσης» προτείνει ότι οι ελεύθερες ρίζες προκαλούν την ίδια τη διαδικασία γήρανσης.
Η οξείδωση είναι η διαδικασία της βλάβης από τις ελεύθερες ρίζες που προκαλείται από ριζικό οξυγόνο. Τα αντιοξειδωτικά είναι μόρια που μπορούν με ασφάλεια να δωρίσουν ηλεκτρόνια σε ελεύθερες ρίζες, τερματίζοντας την οξειδωτική αλυσιδωτή αντίδραση πριν καταστραφούν τα κρίσιμα μόρια. Αν και πολλά συστήματα ενζύμων στο σώμα δεσμεύουν τις ελεύθερες ρίζες, τα κύρια αντιοξειδωτικά βιταμινών ή ανόργανων συστατικών περιλαμβάνουν τη βιταμίνη Α ή τη βήτα-καροτίνη, τη βιταμίνη Ε, τη βιταμίνη C και το σελήνιο, το οποίο είναι ένα ιχνοστοιχείο. Το σώμα δεν παράγει αυτά τα θρεπτικά συστατικά, επομένως πρέπει να λαμβάνονται ως μέρος μιας καλά ισορροπημένης διατροφής.