En condiciones normales de presión y temperatura, dos átomos del elemento se enlazan para formar el dioxígeno, un gas diatómico incoloro, inodoro e insípido con fórmula O2.

Esta sustancia constituye una importante parte de la atmósfera y resulta necesaria para sostener la vida terrestre.

Asimismo, es un fuerte agente oxidante y tiene la segunda electronegatividad más alta de todos los elementos, solo superada por el flúor.

Muchas de las moléculas más importantes que forman parte de los seres vivos, como las proteínas, los ácidos nucleicos, los carbohidratos y los lípidos, contienen oxígeno, así como los principales compuestos inorgánicos que forman los caparazones, dientes y huesos animales.

A altitudes aún mayores de la órbita baja terrestre, el oxígeno atómico tiene una presencia significativa y causa erosión en las naves espaciales.

Antoine Lavoisier, cuyas investigaciones ayudaron a desacreditar la entonces popular teoría del flogisto de combustión y corrosión, acuñó el nombre «oxígeno» en 1777.

En la naturaleza el oxígeno no combinado se produce por la fotodescomposición del agua durante la fotosíntesis.

[nota 7]​ El dioxígeno molecular es esencial para la respiración celular en todos los organismos aerobios, ya que las mitocondrias lo usan para ayudar a generar adenosín trifosfato durante la fosforilación oxidativa.

[38]​ Algunas partes del sistema inmunitario de organismos más avanzados, sin embargo, crean peróxido, superóxido y oxígeno singlete para destruir microbios invasores.

Muchos siglos después, Leonardo da Vinci observó que una porción del aire se consume durante la combustión y la respiración.

[55]​ A finales del siglo XVII, Robert Boyle probó que el aire es necesario para la combustión.

[56]​ Publicó informes sobre estos experimentos y otras ideas en 1668, en su obra Tractatus duo, en el tratado «De respiratione».

[55]​ Los materiales altamente combustibles que dejan poco residuo, como la madera o el carbón, se creían hechos en su mayor parte por flogisto, mientras las sustancias no combustibles que se corroen, como el hierro, contienen muy poco.

[55]​[61]​ Debido a que publicó sus hallazgos primero, Priestley suele ser considerado el autor del descubrimiento.

El renombrado químico francés Antoine Lavoisier reclamó posteriormente haber descubierto la sustancia de forma independiente.

[64]​ Solo dos días después, el físico francés Louis Paul Cailletet anunció su propio método para licuar oxígeno molecular.

[65]​ En 1891 el químico escocés James Dewar pudo producir la suficiente cantidad de oxígeno líquido para estudiarlo.

[12]​ El primer proceso viable comercialmente para producir oxígeno líquido fue desarrollado en 1895 de forma independiente por los ingenieros Carl von Linde, alemán, y William Hampson, británico.

El 16 de marzo hizo volar con éxito un pequeño cohete propulsado por combustible líquido durante 56 m a 97 km/h, en Auburn (Massachusetts).

[72]​ Los tratamientos son lo suficientemente flexibles como para ser usados en hospitales, la vivienda del paciente o, cada vez más, con instrumentos móviles.

[72]​[80]​[81]​ También se usa oxígeno para pacientes que necesitan ventilación mecánica, normalmente a concentraciones superiores al 21 % encontrado en el aire ambiental.

[87]​ Los atletas profesionales, especialmente en fútbol americano, también salen del campo en ocasiones, durante los descansos, para ponerse máscaras de oxígeno y obtener una estimulación en su juego.

[87]​ Existen estudios que respaldan esa estimulación con mezclas de O2 enriquecido, pero solo si se inhalan durante el ejercicio aeróbico.

Por último, pero no menos importante, la oxidación catalítica se utiliza en posquemadores para eliminar gases peligrosos.

La acetona (CH3(CO)CH3) y el fenol (C6H5OH) se usan como materiales en la síntesis de muchas sustancias diferentes.

Otros compuestos orgánicos importantes que contienen oxígeno son: glicerol, formaldehído, glutaraldehído, ácido acético y acetamida.

El oxígeno reacciona espontáneamente con muchos compuestos orgánicos a temperatura ambiente o inferior, en un proceso llamado autooxidación.

[109]​ La mayor parte de los compuestos orgánicos que contienen oxígeno no se producen por la acción directa del O2.

El O2 gaseoso puede ser tóxico a presiones parciales elevadas, produciendo convulsiones y otros problemas de salud.

[118]​ Al igual que otros líquidos criogénicos, en contacto con el cuerpo humano puede causar congelamiento en piel y ojos.