使用抗氧化劑來預防某些疾病是有爭議的。在像吸煙者這樣的高風險人群中，高劑量的β-胡蘿卜素會增加肺癌的發病率，因為高劑量的β-胡蘿卜素與吸煙引起的高氧分壓相結合會在氧分壓時產生促氧化作用和抗氧化作用不高。在不太高風險的人群中，使用維生素E似乎可以降低患心臟病的風險。然而，雖然食用富含維生素E的食物可能會降低中老年男性和女性患冠心病的風險，但使用維生素E補充劑似乎也會導致總死亡率、心力衰竭和出血性中風的增加.因此，美國心臟協會建議食用富含抗氧化維生素和其他營養物質的食物，但不建議使用維生素E補充劑來預防心血管疾病。在其他疾病中，例如阿爾茨海默氏癥，關于補充維生素E的證據也參差不齊。由于飲食來源含有更廣泛的類胡蘿卜素和維生素E生育酚和來自全食物的生育三烯酚，因此事后流行病學研究可能得出與使用分離化合物的人工實驗不同的結論。阿斯利康(AstraZeneca)的自由基清除劑硝酮藥物NXY-059在治療中風方面顯示出一定的療效。

氧化應激（如DenhamHarman的衰老自由基理論中所闡述的）也被認為有助于衰老過程。雖然在模式生物如黑腹果蠅和秀麗隱桿線蟲中有很好的證據支持這一觀點，但邁克爾·里斯托實驗室最近的證據表明，氧化應激也可能通過誘導對最初增加的水平的二次反應來促進秀麗隱桿線蟲的預期壽命。的活性氧。哺乳動物的情況就更不清楚了。最近的流行病學發現支持有絲分裂的過程，然而2007年的一項薈萃??分析表明偏倚風險低的研究（隨機、盲法、隨訪）發現，一些流行的抗氧化劑補充劑（維生素A、β胡蘿卜素和維生素E）可能會增加死亡風險（盡管研究更傾向于偏向報告相反）。

由于缺乏證據表明食物中的抗氧化水平轉化為體內相關的抗氧化作用，美國農業部刪除了顯示SelectedFoodsRelease2(2010)表的氧自由基吸收能力(ORAC)的表格。

鐵、銅、鉻、釩和鈷等金屬能夠進行氧化還原循環，其中單個電子可以被金屬接受或提供。該作用催化反應性自由基和ROS的產生。這些金屬在生物系統中以非復合形式（不在蛋白質或其他保護性金屬復合物中）的存在會顯著增加氧化應激的水平。這些金屬被認為會引起芬頓反應和哈伯-韋斯反應，其中羥基自由基由過氧化氫生成。然后羥基自由基可以修飾氨基酸。例如，間位酪氨酸和鄰位酪氨酸通過苯丙氨酸的羥基化形成。其他反應包括脂質過氧化和核堿基的氧化。金屬催化的氧化也會導致R(Arg)、K(Lys)、P(Pro)和T(Thr)的不可逆修飾。過度的氧化損傷導致蛋白質降解或聚集。

過渡金屬與被ROS或RNS氧化的蛋白質反應會產生反應性產物，這些產物會累積并導致衰老和疾病。例如，在阿爾茨海默病患者中，過氧化脂質和蛋白質在腦細胞的溶酶體中積累。

除了金屬氧化還原催化劑之外，某些有機化合物也可以產生活性氧。其中最重要的一類是醌類。醌可以與它們的共軛半醌和氫醌進行氧化還原循環，在某些情況下催化從分子中產生超氧化物或從超氧化物中產生過氧化氫。

免疫系統利用氧化劑的致命作用，使產生氧化物質成為其殺死病原體機制的核心部分；活化的吞噬細胞產生ROS和活性氮物質。這些包括超氧化物(?O-2)、一氧化氮(?NO)和它們特別活潑的產物，過氧亞硝酸鹽(ONOO-)。盡管在吞噬細胞的細胞毒性反應中使用這些高反應性化合物會對宿主組織造成損害，但這些氧化劑的非特異性是一個優勢，因為它們幾乎會損害其靶細胞的每個部分。這可以防止病原體通過單個分子靶標的突變來逃避這部分免疫反應。

精子DNA片段化似乎是導致男性不育的一個重要因素，因為具有高DNA片段化水平的男性受孕幾率顯著降低。氧化應激是精子中DNA斷裂的主要原因。高水平的氧化性DNA損傷8-OHdG與異常精子和男性不育有關。

在過早衰老的大鼠模型中，氧化應激誘導的新皮質和海馬區DNA損傷明顯高于正常衰老的對照大鼠。大量研究表明，隨著年齡的增長，小鼠、大鼠、沙鼠和人類的大腦和肌肉DNA中的8-OHdG水平會隨著年齡的增長而增加，這是氧化應激的產物。有關DNA氧化損傷與衰老之間關系的更多信息，請參見衰老的DNA損傷理論一文。然而，最近發現氟喹諾酮類抗生素依諾沙星可以通過誘導氧化應激減少衰老信號并促進線蟲的壽命延長。

大氧化事件始于大約24.5億年前地球大氣中氧氣的生物誘導出現。由于古代微環境中的藍藻光合作用導致氧氣水平升高，可能對周圍的生物群具有劇毒。在這些條件下，氧化應激的選擇壓力被認為推動了古細菌譜系向xxx批真核生物的進化轉變。氧化應激可能與其他環境應激（如紫外線輻射和/或干燥）協同作用)來驅動這個選擇。有效修復氧化性DNA損傷的選擇性壓力可能促進了真核生物性別的進化，包括細胞融合、細胞骨架介導的染色體運動和核膜出現等特征。因此，減數分裂性和真核發生的進化可能是不可分割的過程，這些過程在很大程度上是為了促進氧化性DNA損傷的修復。