地球海平面大气的含氧量为21％，现代的需氧生物已经适应了这样的氧环境，生物进化使得这些生物体内具备了抵御21％氧浓度的防御体系。但是，所有的厌氧微生物如果暴露在大气中，就会立即死亡。对于需氧生物，如果O2的浓度小于正常水平，即造成缺氧，能量供应不足，使生物体受到损害，甚至死亡。高原缺氧，产生高原反应，可诱发生物体的自由基损伤。同样，如果环境中O2浓度过高，也会造成对机体的严重损害。所有的需氧生物，包括人类在内，如果长时间暴露在>21％氧浓度的环境中，都会有明显的损伤，如20世纪40年代，发生眼损伤（甚至完全失明）的早产婴儿突然增多，十多年后人们认识到这种视网膜损伤和孵育箱中0：浓度较高有关。如果仔细控制供氧的浓度，同时给予脂溶性维生素E，可使发病率明显降低。
1900年，M.Gomberg第一次得到三苯甲基自由基，从而出现了自由基的概念。到了1929年，人们又发现了寿命更短的甲基自由基和乙基自由基，使自由基的存在得到了进一步的确认。在以后的许多年中，三苯甲基等自由基只被单纯认为是一种存在的化学物质。1937年MS.Kharasch第一次发现自由基可作为一类化学实体参与化学反应，这就是所谓“过氧化物效应”，并依此解释了溴化氢和不对称烯烃“反-马尔柯夫尼可夫”加成的原因，创立了化学领域的新分支“新的有机化学”，这其中即包括现在的自由基化学。自由基既带有电荷，又具有自旋和磁矩，同时显示电性和磁性，但是当时尚无证据表明在生命现象中也存在这种物质。
尽管如此，自由基化学的发展为自由基生物学的建立奠定了基础。最早纳入自由基生物学领域的是放射生物学。辐射诱发生物自由基造成放射病，为自由基生物学提供了最早和最直接的自由基活性作用的证据。大量的实验研究证明，生命过程中的许多重要反应（如多种酶催化的氧化还原反应等）多与自由基有关。
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