自由基指化合物分子的共价键发生均裂而形成的具有不成对电子的原子、原子团或分子。如氧自由基（、OH）、脂质自由基（L、LO、LOO）。自由基一旦生成，可通过链式反应不断生成新的自由基。自由基具有极为活泼的反应性，极易给出电子或俘获电子，或发生夺氢反应而其本身变成稳定的分子。

自由基损伤主要体现在对生物膜的损坏、对蛋白质的损伤、对核酸的损伤、对线粒体的损伤、对细胞外基质的破坏等方面。

自由基对不饱和共价键具有特殊的亲和力。细胞膜、核膜、细胞器膜（线粒体膜、内质网膜、溶酶体膜）等生物膜中富含不饱和脂肪酸，所以决定了它们成为易遭受自由基攻击的“靶器官”。自由基从多聚不饱和脂肪酸中的不饱和共价键中抽提一个电子，生成一个脂自由基（L），然后脂自由基与基态氧反应生成脂过氧基（LOO），LOO再从其他磷脂不饱和脂肪酸分子中抽提一个氢，形成脂氢过氧化物（LOOH）,同时生成一个新的L·，从而形成一个持续的链式反应。只有当产生损伤效应或与酶、自由基链阻断剂等作用时，才能终止反应。脂质过氧化作用会导致膜功能障碍和膜酶的损伤；通过产生的可扩散性醛发挥毒性效应（灭活酶、内源性固定剂、与蛋白和核酸反应形成异源交联物）。

主要作用是修饰氨基酸残基，引起其结构和构象改变，造成肽链断裂、聚合和交联。不直接参与对氨基酸的作用，但可通过歧化反应（自身氧化还原反应）产生过氧化氢（H₂O₂），后者能与相互反应或与含铁的分子反应，生成OH。OH是化学性质活泼的活性氧，能与所有氨基酸反应，尤其是含不饱和键和巯基的氨基酸如色氨酸、组氨酸等，使蛋白质活性部位修饰，蛋白质分子聚合、断裂。自由基可导致多种蛋白质损伤，尤其是对具有催化作用的酶和具有信息转导作用的受体，进而能产生效应放大作用。

主要表现在染色体畸变、核酸碱基改变、脱氧核糖核酸（DNA）断裂、DNA-DNA或DNA-蛋白交联。这种作用80%为OH所致，OH与脱氧核糖核酸及碱基反应使其发生改变，一氧化氮也是重要参与者。当细胞DNA受损时，轻者会引起细胞的生物学活性改变，重者造成基因突变、细胞死亡和致癌。大量研究证实DNA损伤正是恶性肿瘤发病的基础。DNA损伤的细胞反应主要是细胞凋亡和细胞衰老，最终引起机体衰老。

线粒体内发生的有氧代谢过程中，总耗氧量的1%～2%转变为氧自由基，而且随动物年龄的增长，自由基的生成不断增加。大量产生的自由基首先导致线粒体功能障碍、形态改变和线粒体DNA（mtDNA）损伤，尤其是线粒体DNA裸露，外无组蛋白保护，易受自由基攻击而损伤，损伤后不易被修复而累积。研究表明，自由基引起的线粒体损伤是导致细胞和机体衰老的基础。

细胞外基质是由细胞分泌到细胞外间质中的大分子物质，主要是一些多糖和蛋白或蛋白聚糖，构成复杂的网架结构，支持并连接组织结构、调节组织的发生和细胞的生理活动。自由基尤其是氧自由基可使细胞外基质中的胶原蛋白发生交联，透明质酸降解，从而导致基质疏松，弹性下降。研究表明，自由基损伤是器官纤维化尤其是肝硬化的重要发病机制之一。