Tại nồng độ cao, các gốc tự do và các species phản ứng không gốc xuất phát từ gốc tự do có thể gây nguy hiểm cho sinh vật sống và làm tổn thương tất cả các thành phần chính của tế bào. Tuy nhiên, tại nồng độ trung bình, nitric oxide (NO), anion siêu ôxy và các species oxy phản ứng liên quan (ROS) đóng vai trò quan trọng như các chất trung gian điều tiết trong các quá trình tín hiệu. Nhiều phản ứng trung gian ROS thực sự bảo vệ tế bào khỏi stress oxy hóa và tái thiết lập “cân bằng redox”. Tuy nhiên, các sinh vật bậc cao đã tiến hóa để sử dụng NO và ROS như là các phân tử tín hiệu cho các chức năng sinh lý khác. Các chức năng này bao gồm điều chỉnh trương lực mạch máu, giám sát áp lực oxy trong kiểm soát thông khí và sản xuất erythropoietin, cũng như truyền tín hiệu từ các thụ thể màng trong nhiều quá trình sinh lý. Trong những trường hợp này, NO và ROS thường được sinh ra bởi các enzyme được điều tiết chặt chẽ như NO synthase (NOS) và các dạng isozyme NAD(P)H oxidase, tương ứng. Trong một protein tín hiệu nhất định, sự tấn công oxy hóa có thể gây ra mất chức năng, tăng chức năng, hoặc chuyển đổi sang một chức năng khác. Lượng ROS dư thừa có thể xuất phát từ sự kích thích quá mức của NAD(P)H oxidase hoặc từ các nguồn ít được điều tiết hơn như chuỗi vận chuyển electron ti thể. Trong ti thể, ROS được sinh ra như là sản phẩm phụ không mong muốn của quá trình chuyển hóa năng lượng oxy hóa. Việc sản xuất ROS gia tăng quá mức và/hoặc kéo dài đã được gán cho sự khởi phát của ung thư, bệnh tiểu đường, xơ vữa động mạch, các bệnh thoái hóa thần kinh, viêm khớp dạng thấp, chấn thương thiếu máu/tái tưới máu, ngưng thở khi ngủ tắc nghẽn, và các căn bệnh khác. Ngoài ra, các gốc tự do cũng đã được gán cho cơ chế lão hóa. Quá trình lão hóa có thể xảy ra, ít nhất một phần, do tổn thương oxy hóa do gốc tự do gây ra như đã được đề xuất hơn 40 năm trước bởi Harman (J Gerontol 11: 298–300, 1956). Có bằng chứng ngày càng tăng rằng quá trình lão hóa liên quan đến những thay đổi tiến triển trong các quá trình điều tiết do gốc tự do trung gian, dẫn đến sự thay đổi biểu hiện gen.