Kai deguonis chemiškai reaguoja su kitais atomais, dėl sąveikos susidaro laisvieji radikalai, kurie yra atomai, kurių išoriniame apvalkale yra nesuporuotas elektronas. Nestabilūs laisvieji radikalai greitai reaguoja su kitais junginiais, bandydami pavogti elektroną. Kai atakuojama molekulė praranda savo elektroną, ji pati išsivysto į laisvąjį radikalą ir pradeda grandininę reakciją. Pagrindinė laisvųjų radikalų grėsmė kyla dėl žalos, kurią jie daro ląstelių dezoksiribonukleino rūgščiai (DNR) arba ląstelių membranoms. Laisvųjų radikalų žalos, kuri prisideda prie vėžio, senėjimo ir daugelio ligų, galima išvengti naudojant antioksidantus, kurie, kaip cheminės medžiagos, lengvai atiduoda elektronus laisviesiems radikalams.
Mitochondrijos yra mažos ląstelių organelės, kurios generuoja ląstelėms naudingą cheminę energiją, perkeldamos elektronus tarp molekulių. Deguonis užima galutinę vietą elektronų transportavimo grandinėje, o dėl klaidingos elektrono ir deguonies sąveikos susidaro radikali deguonies forma, labiausiai paplitęs laisvasis radikalas gyvose sistemose. Pagrindinis radikalaus deguonies pažeidimo ląstelėje mechanizmas yra ląstelės DNR mutacija. Nors taisymo mechanizmai ląstelėje gali pataisyti branduolinę DNR, mitochondrijų DNR (mtDNR) atkurti neįmanoma. Laikui bėgant kaupiasi mtDNR pažeidimai, dėl kurių atsiranda platus mitochondrijų disfunkcija, mažėja ląstelių energijos atsargos ir galutinė ląstelių mirtis.
Pakeitus šaltinio molekules saulės šviesoje, atsiranda kitų laisvųjų radikalų. Žemutinėje atmosferoje ryškiausi pavyzdžiai yra šviesos sukelta azoto dioksido disociacija, dėl kurios susidaro deguonis ir azoto oksidas, pagrindinis smogo ingredientas, ir ozono fotodisociacija, kad susidarytų sužadintas deguonies atomas. Svarbus radikalų šaltinis yra chlorfluorangliavandenilių disociacija dėl ultravioletinės spinduliuotės arba reakcijos su kitomis stratosferos sudedamosiomis dalimis. Šie laisvieji radikalai ardo ozono sluoksnį.
Laisvųjų radikalų pažeidimas DNR sukelia mutacijas, kurios sukelia piktybinius navikus. Aterosklerozė, su alkoholiu susijęs kepenų pažeidimas ir cigarečių rūkymo emfizema yra priskiriami laisvųjų radikalų sukeltai daugelio organizmo cheminių medžiagų oksidacijai. Laisvieji radikalai gali sukelti šizofreniją, Alzheimerio ligą, Parkinsono ligą ir kurtumą. Kitas laisvųjų radikalų žalos pavyzdys yra odos pažeidimas, atsirandantis dėl pernelyg didelio saulės poveikio. „Senėjimo laisvųjų radikalų teorija“ teigia, kad laisvieji radikalai sukelia patį senėjimo procesą.
Oksidacija yra laisvųjų radikalų pažeidimo procesas, kurį sukelia radikalus deguonis. Antioksidantai yra molekulės, kurios gali saugiai paaukoti elektronus laisviesiems radikalams, nutraukdamos oksidacinę grandininę reakciją, kol nepažeidžiamos svarbios molekulės. Nors kelios organizmo fermentų sistemos sulaiko laisvuosius radikalus, pagrindiniai vitaminų ar mineralų antioksidantai yra vitaminas A arba beta karotinas, vitaminas E, vitaminas C ir selenas, kuris yra metalo pėdsakai. Kūnas šių maistinių medžiagų negamina, todėl jų reikia gauti laikantis gerai subalansuotos mitybos.