光氧作用是一種光誘導的氧化反應，其中分子氧被納入到產品中。早期對光氧化的研究集中在對DNA和氨基酸的氧化損傷上，但最近的研究導致了光氧化在有機合成和光動力療法中的應用。光氧化反應是由光敏劑發起的，光敏劑是一種分子，當暴露在特定波長的光下時進入激發狀態（如染料和顏料）。然后激發的增感劑與底物或基態分子氧發生反應，開始一連串的能量轉移，最終產生一個含氧的分子。因此，光氧化反應按這些中間產物的類型和順序進行分類（如I型、II型或III型反應）。

光氧化反應很容易與一些具有類似名稱的過程（即光敏氧化）混淆。可以根據三個屬性進行明確的區分：氧化、光的參與和分子氧在產品中的結合。

感光劑（用Sens表示）是化合物，如熒光素染料、亞甲基藍和多環芳烴，它們能夠吸收電磁輻射（通常在光譜的可見范圍內）并最終將能量轉移到分子氧或光氧化過程的底物。許多增敏劑，包括自然發生的和合成的，都依靠廣泛的芳香系統來吸收可見光譜中的光線。

在經典的路易斯結構中，分子氧，O2，被描述為在兩個氧原子之間有一個雙鍵。然而，O2的分子軌道實際上比劉易斯結構所顯示的更為復雜。O2的最高占有分子軌道（HOMO）是一對退化的反鍵π軌道，即π2px*和π2py*，它們都被自旋的未配對電子單獨占有。這些電子是導致O2在基態下是一個三態二元的原因（表示為3O2）。雖然許多穩定分子的HOMO由成鍵的分子軌道組成，因此需要從成鍵到反成鍵的適度能量跳躍以達到它們的xxx激發態，但分子氧的HOMO的反成鍵性質使其基態和xxx激發態之間的能量差距較小。這使得O2的激發成為一個能量限制較少的過程。在O2的xxx激發態中，比基態增加了22千卡/摩爾的能量，反結合軌道中的兩個電子占據了一個退化的π*軌道，而氧氣現在處于單子態（表示為1O2）。1O2是非常活躍的，其壽命在10-100μs之間。

三種類型的光氧化反應是通過它們的機制來區分的，因為它們能夠根據環境條件產生不同或相似的產物。I型和II型反應通過中性中間物進行，而III型反應通過帶電物種進行。1O2的缺失或存在是區分I型和II型反應的原因。

在I型反應中，光活化的3Sens*與底物相互作用，產生一個自由基底物，通常是通過底物上的氫鍵的同質化斷裂。然后這個底物自由基與3O2（基態）相互作用，產生一個底物-O2自由基。這樣的自由基通常通過從另一個底物分子或溶劑中抽出一個氫來淬滅。這個過程允許反應的連鎖傳播。二元組中間體的氧捕集xxx類光氧化反應經常被用于形成和捕集二元組物種的過程中。Mirbach等人報告了一個這樣的反應，其中一個偶氮化合物通過光解形成二元碳氫化合物，然后被分子氧逐步捕集。

在第二類反應中，3Sens*通過無輻射過渡直接與3O2轉移其能量，生成1O2。然后1O2以各種方式加入底物，包括：環加成，加入雙鍵產生1,2-二氧雜環，以及與烯烴發生烯反應。