Le cellule hanno bisogno di ossigeno per l'uso efficiente del glucosio nella respirazione cellulare, il principale metodo utilizzato dalla maggior parte degli organismi per ottenere energia. L'ossigeno si lega alle porzioni della molecola di glucosio, rilasciando acqua, anidride carbonica e grande quantità di energia. Le cellule utilizzano quindi quell'energia per generare trifosfato di adenosina, comunemente abbreviato in ATP, la principale valuta energetica utilizzata dalla cellula.
L'ossigeno viene utilizzato da molte cellule per elaborare le risorse energetiche e il metabolismo basato sull'ossigeno è il più efficiente, ma non tutte le cellule lo richiedono. Alcuni che vivono in ambienti a bassa ossigeno non lo usano affatto, ed è spesso tossico per questi organismi. La fermentazione è un esempio di cellule che usano fonti energetiche senza ossigeno, ma è molto meno efficiente della respirazione cellulare.
L'ossigeno è in realtà una sostanza chimica pericolosa in generale, e mentre le cellule che lo usano ne traggono grandi benefici, devono anche avere difese contro i suoi effetti tossici. L'ossigeno è utile perché reagisce fortemente con il carbonio e l'idrogeno nel glucosio, ma questi sono anche i componenti principali del DNA cellulare e delle strutture proteiche, che possono essere attaccati e distrutti dall'ossigeno. Questo è particolarmente vero nel caso di radicali liberi, atomi di ossigeno singolare altamente reattivi che sono costantemente prodotti dalla respirazione cellulare.
