氧分子是強氧化劑，因而是一種理想的末端電子受體。但氧的還原過程涉及有潛在危害的中間體。雖然四個電子和四個質子的轉移而將氧還原為水的反應是無害的，一個或兩個電子的轉移會產生超氧或過氧陰離子，這是危險的反應。
這些活性氧和它們的反應產物，如羥基自由基，對細胞非常有害，因為它們能氧化蛋白質并導致DNA突變。細胞的損傷可能會誘發疾病，并可能是導致老化的原因之一。
細胞色素c氧化酶復合體能高效地將氧還原為水，且只釋放極少量的部分還原中間體；然而，電子傳遞鏈卻會產生少量的超氧陰離子和過氧化物。其中尤為重要的是輔酶Q在復合體III中的還原過程，因為作為一種中間體，高活性的泛半醌自由基會在Q循環中生成。這種不穩定的物質可能會導致電子的“泄漏”，從而直接將電子傳遞到氧，形成超氧化物。由于在高膜電位時，這些質子泵復合物生成活性氧物質的速度最快，有人認為線粒體能調節自己的活動，使膜電位維持在一個狹窄的范圍內，以此平衡氧化劑和ATP的生成。例如，氧化劑可以激活解偶聯蛋白，從而降低膜電位。
為了清除活性氧，細胞有一套復雜的抗氧化劑體系，包括抗氧化維生素如維生素C和維生素E，抗氧化酶如超氧化物歧化酶、過氧化氫酶和過氧化物酶，它們能消除活性物質的毒性，減小對細胞的損傷。