氧化應激被認為與多種疾病例如老年癡呆癥 、帕金森氏癥，這此病理系引發于糖尿病、由糖尿病引起的并發癥、類風濕性關節炎 和肌萎縮性脊髓側索硬化癥引發的神經退行性變（neurodegeneration）有關。對于其中的大部分疾病尚不清楚是否是由氧化劑所引發的，或者是作為這些疾病的次生后果來自一般組織的損傷。
氧化反應對DNA的損傷能引發癌癥。比如超氧化歧化酶、過氧化氫酶、谷甘胱肽過氧化物酶、谷胱甘肽還原酶、谷胱甘肽S-轉移酶等幾種抗氧化酶能保護DNA免受氧化應激的損害。這些酶的多態性與DNA損傷有關并提高個體的癌癥易感性風險。