人们日常接触的化学变化大多与燃烧有关，这促使人们对燃烧本质进行探讨。1703年，德国医药化学家G.E.斯塔尔（Georg Ernst Stahl，1660～1734）提出燃素说，认为可燃物中都含有一种物质燃素，燃烧过程中，燃素便从燃烧物中分离出去。燃素说能够解释当时的一些燃烧现象，普里斯特利（Joseph Priestley，1733～1804）、C.W.舍勒（Carl Wilhelm Scheele，1742～1786）等许多化学家都支持这一理论。但对于金属煅烧后变重的现象，燃素说却无法自圆其说，为此有人为燃素说辩护，认为燃素具有“轻浮能力”；有人将燃素的密度和重量混为一谈；也有人认为燃素具有负重量。

1771～1772年，舍勒制得了“火空气”（fire air），也就是今天所说的氧气。舍勒认识到这种气体能支持燃烧，认为是它和燃素一起形成了热。1774年，英国化学家普里斯特利利用透镜把太阳光聚焦在氧化汞上，发现产生的气体支持燃烧、支持呼吸，他称其为“脱燃素空气”（dephlogisticated air）。

1772年，拉瓦锡在铅丹（Pb₃O₄）还原实验中收集到大量气体，证明了这种气体来源于煅渣铅丹。之后，通过对磷的密封燃烧，发现磷的增重是由于吸收了空气。这两个实验证明了增重现象既存在于煅烧中，也存在于燃烧中。1773年，拉瓦锡发现，铅、锡在密封煅烧中空气体积减小，认为是空气中的某种弹性流体进入到了煅渣中。这样拉瓦锡证明了金属+气体=煅渣；而通过对铅丹的还原实验，他证明了煅渣-气体=金属。

1774年10月，普里斯特利告知拉瓦锡用透镜加热氧化汞制得气体的实验；次年，拉瓦锡重复实验得到这种气体，发现它支持燃烧、维持呼吸。但直至1776年，拉瓦锡才认识到，参与燃烧的气体是空气中某种成分。

1777年9月，拉瓦锡向法国科学院提交了论文“燃烧概论”（Sur la combustion en général），阐述了燃烧的氧化学说，要点为：①燃烧时放出光和热；②只有在纯净空气（pure air）存在时，物质才会燃烧；③空气是由两种成分组成的，物质在空气中燃烧时，吸收了空气中的纯净空气（氧），因此重量增加，物质所增加的重量恰恰就是它所吸收的纯净空气（氧）的重量；④可燃物质（非金属）燃烧后通常变为酸，氧是酸的本原，一切酸中都含有氧。金属煅烧后变为煅灰，它们是金属的氧化物。至此，形成氧理论的核心观点。1778年，拉瓦锡将这种气体称为“成酸素”（principe oxygine），意为“可构成酸的”，这是oxygene一词首次出现，中文翻译成氧或者氧气。拉瓦锡理解的氧气是氧元素和热质的混合物，当氧气与某种金属化合时，热质逸出。

1777年，在“动物呼吸时肺部空气变化的实验”（Expériences sur la respiration des animaux et sur les changements qui arrivent à l’air par leur poumon）中，拉瓦锡认为氧气在肺部与碳化合，排出二氧化碳，生成热。这解释了动物体温的热源问题，但当时尚未解释热的生成机制。之后，拉瓦锡和拉普拉斯（Pierre-Simon marquis de Laplace，1749～1827）在“关于热的研究报告”（Mémoire sur la chaleur）中指出呼吸是一种缓慢燃烧。

1785年，拉瓦锡在皇家医学学会（Société Royale de Médecine）宣读的文章“改变我们呼吸的空气”（Altération qu’éprouve l’air respiré）中表示，通过对呼吸过程的定量研究，测定了氧气、氮气和二氧化碳在空气中的含量。

几年后，拉瓦锡和A.塞金（Armand Séguin，1767～1835）将氧理论系统地推广到呼吸过程中。

1778年，拉瓦锡发表“酸性概论”（Considérations générales sur la nature des acides et sur les principes dont ils sont composés），认为氧是所有酸共有的一种元素，酸性物质因被酸化或被氧化的物质本性的不同而有所区别。酸性物质能与土质及金属物体结合形成中性盐。拉瓦锡将酸称为盐化要素（salifying principles），与之结合可以形成中性盐的物质称为成盐基（salifiable bases），这些基是草碱、苏打、氨、石灰、苦土、重晶石、黏土以及一切金属物体。

19世纪30年代之前，化学界对酸的认识都是基于拉瓦锡的氧理论：非金属元素与氧结合，生成了酸，具有了酸性；金属元素与氧结合，生成了盐基，具有了碱性；水被认为是吸收剂。H.戴维（Humphry Davy，1778～1829）、P.L.杜隆（Pierre Louis Dulong，1785～1838）在确认氯为元素后，根据盐酸的组成提出了无氧酸和酸的“氢学说”，认为在酸中具有重要意义的是氢而非氧。该见解当时并未受到重视，直至1833年之后，英国化学家T.G.格雷亨姆（Thomas Graham，1805～1869）和德国化学家J.von 李比希（Justus von Liebig，1803～1873）确立了酸的“氢学说”。

1766年，H.卡文迪什（Henry Cavendish，1731～1810）发现“易燃空气”（氢气）在空气中可以燃烧，他认为这是燃素。1784年，卡文迪什给出了水合成的定量和定性分析，他认为水的生成是燃素与脱燃素空气的化合；同年，拉瓦锡和梅斯尼埃（Jean Baptiste Meusnier de La Place，1754～1793）将水通过灼热的铁管制得氢气，并将其与汞灰制得的氧气在电火花中合成了水。由此，拉瓦锡认为水是易燃空气与氧的化合物。水的成分的发现使得氧理论可以解释金属溶于酸放出易燃空气的现象。

水的组成发现后，氧理论逐渐得到大多数化学家的支持，有人完全放弃了燃素说，有人同时信奉两个理论，也有人一直支持燃素说，如普里斯特利、瓦特（James Watt，1736～1819）、J.科尔（James Keir，1735～1820）和J.C.威克里布（Johann Christian Wiegleb，1732～1800）等。

氧理论的传播得益于氧理论支持者们的工作，包括建立新的化学命名法、撰写新化学教科书和创办学术刊物。

为使化学物质的名称适应新学说，拉瓦锡与G.de 莫尔渥（Guyton de Morveau，1737～1816）、A.-F.de 富克鲁瓦（Antoine-François de Fourcroy，1755～1809）、C.L.贝托莱（Claude Louis Berthollet，1748～1822）对化学物质统一命名，于1787年出版了《化学命名法》（Méthode de nomenclature chimique）。新的化学命名法建立在氧理论的基础上，每种物质有固定名称，单质的名称要表达出其特征，化合物的名称要根据所含的单质表示出它们的组成，酸类和碱类用所含的元素命名，盐类用构成它们的酸和碱命名。如原来的锌灰、铁灰，根据氧理论重新被命名为氧化锌、氧化铁；而固定空气是碳的氧化物，命名为氧化碳，即二氧化碳。

1789年，拉瓦锡编写的化学教材《化学基础论》（Traité Élémentaire de Chimie）出版。书中用氧理论论述了他的实验发现，包括大气研究、燃烧和煅烧、动植物组成与分解、发酵、酸碱理论、盐的形成、光和热等。该书被译成英文、意大利文、德文、西班牙文和荷兰文等多个版本。1789年，拉瓦锡等主办的《化学纪事》（Annales de Chimie）创刊，成为氧理论支持者的重要学术平台，推动了新化学理论的传播。

氧理论不仅解释了当时人们普遍关注的燃烧和煅烧现象，也解释了燃素说没有涉及的其他问题，如对酸性的解释、有机物的分解、成盐现象等。此外，定量研究方法也被引入化学实验当中。

不过，由于氧理论将氧上升为各种化学反应中的关键元素，限制了人们对新元素的认识。由于信奉氧理论，贝托莱1785年从氯气水溶液中制得的氯气，被认为是盐酸与氧的化合物。直至1810年戴维才确定氯是一种元素，进而认识到无氧酸的存在，改变了氧理论关于凡酸含氧的观点。

氧理论是现代氧化-还原反应的基础。18世纪末，化学家提出了氧化-还原反应最初的概念：与氧结合的反应，称为氧化反应；从含氧化合物中夺取氧的反应，称为还原反应。但氢气在氯气中可燃这一现象发现后，人们意识到没有氧气的存在，燃烧也可以进行。19世纪化合价的概念发展后，又把化合价升高的一类反应归为氧化反应，化合价降低的一类反应归为还原反应。20世纪初，电子理论建立后，氧化和还原的概念得到进一步深化，将失去电子的称为氧化反应，得到电子的称为还原反应，即今天的氧化-还原反应。