为了适应从海洋生物演变为陆地生物，陆生植物开始产生海洋生物所不具有的抗氧化剂比如维生素C、多酚和生育酚。五千万年到两亿年前被子植物植物在进化的过程中发展出了许多抗氧化的天然色素--特别是在侏罗纪时代--作为一种化学手段抵御光合作用的副产物活性氧类物质。本来抗氧化剂一词特指那类可以防止氧气消耗的化学物质。在19世纪末至20世纪初，广泛研究集中在重要的工业生产过程对抗氧化剂的使用上，比如防止金属腐蚀、橡胶的硫化、由燃料聚合导致的内燃机积垢等。
生物学对抗氧剂的研究早期集中在是如何使用抗氧化剂来避免不饱和脂肪酸氧化引起的酸败。可以通过将一块脂肪置于一个充氧的密封容器后对其氧化速率进行测定的简单方法度量抗氧化活性。然而随着具有抗氧化作用的维生素A、C、E的发现和确认，人们意识到抗氧化剂在生物体内起到生化作用的重要性。当认识到具有抗氧化活性的物质可能本身就容易被氧化的事实后，对抗氧化剂可能作用机理的探索首先开始。通过研究维生素E如何防止脂质过氧化，明确了抗氧化剂作为还原剂通过与活性氧物质反应来避免活性氧物质对细胞的破坏，达到抗氧化的效果。
详情查看: 氧化应激
对于生物体的代谢有一种自相矛盾的情况，虽然大部分地球上的生物需要氧气来维持生存，但同时氧气又是一种高反应活性的分子，可以通过产生活性氧物质破坏生物体。所以生物体中建立了一套由抗氧化的代谢产物和酶构成的复杂网络系统，通过有抗氧化作用的代谢中间体和产物与酶之间的协同配合使得重要的细胞成分比如DNA、蛋白质和脂类免受氧化损伤。抗氧化系统大体上通过两种方式实现抗氧化作用，一种是通过阻止活性氧物质的产生来实现的，另一种是在这些活性物质对细胞的重要成分造成损伤之前清除它们来达到抗氧化作用的 。然而这些活性氧物质也有重要的细胞功能，比如在生化反应中充当氧化还原信号分子。因此生物体中抗氧化系统的作用不是氧化性物质彻底地全部清除，而是将这些物质保持在适当的水平。
在细胞内产生的活性氧物种包括过氧化氢(H2O2)、次氯酸(HClO)、自由基例如羟基自由基(·OH)和超氧化物阴离子(O2) 。羟基自由基特别不稳定，能无特异性地迅速与大多数生物分子反应。这类物种主要是由金属催化过氧化氢还原（比如芬顿反应）产生的 。这些氧化剂通过引发链反应比如脂质的过氧化反应、或氧化DNA和蛋白质破坏细胞。受到损害的DNA如果没有得到修复会引起突变、诱发癌症。对蛋白质造成的损伤会使酶的活性受到抑制、蛋白质发生变性或降解。
人体新陈代谢产生能量的过程中需要消耗氧气生成活性氧物种。这个过程中，电子传递链的几个步骤能产生副产物超氧化物阴离子。特别重要的是复合物III中的辅酶Q在被还原的过程中会变成了高活性的自由基中间体（Q·）。这种不稳定的中间体会发生电子的“泄漏”（丢失电子），“泄漏”的电子跳出正常的电子传递链，直接将氧分子还原生成超氧负离子。过氧化物也可以由还原态的黄素蛋白比如复合体Ⅰ的氧化产生。然而，尽管这些酶会生成氧化剂，但是不清楚电子传递链相比其他同样可以产生过氧化物的生化过程是否更为重要。在植物、藻类和蓝菌进行光合作用的过程中尤其是在高辐照强度下，同样会产生活性氧物种，但是类胡萝卜素作为光保护剂吸收过度强光保护细胞，藻类、蓝菌中所含的大量碘和硒也能抵消高辐照强度对细胞造成的氧化损伤,类胡萝卜素、碘和硒作为抗氧化剂通过与被过度还原的光合反应中心反应避免活性氧物种的产生。[1]