氧化应激源于活性氧和氮物种的产生与身体排除活性中间体的能力之间的不平衡。许多通过不同机制作用的抗氧化剂已成功用作治疗形式，防止细胞损伤。虽然氧化应激是老化的自然部分，但超过2000篇科学论文将慢性氧化应激与一系列慢性病理状况的发展联系起来。在氧化应激期间，包括DNA、蛋白质和膜在内的关键大分子可能被高反应性的羟基和亚硝酰自由基损伤。

•OH自由基具有高度反应性，几乎可以与附近的任何生物分子相互作用。清除自由基可以起到预防和治疗的作用。由于氢气的选择性反应性，它作为一个独特的清除剂脱颖而出，仅与•OH和过氧亚硝酸盐(ONOO−-)反应。其他ROS如超氧阴离子(O2∙−-)、H2O2和一氧化氮(•NO)——它们也充当信号分子——不受影响。此外，氢气通过各种信号转导途径间接调节激素和细胞因子。在炎症反应期间，免疫细胞打破了稳态平衡；氢气抑制促炎信号并激活抗炎信号。

氢气的一个基本属性是其渗透性，使其能够迅速穿透细胞膜并在胞浆、细胞核和其他细胞器中分散，以提供保护作用[44]。与大多数抗氧化化合物不同，氢气能够穿过血脑屏障，到目前为止，还没有关于其细胞毒性的报告。氢气对体温、血压、pH或pO2也没有直接影响。氢气通过直接与线粒体电子传递链相互作用并中和氧化应激来发挥抗炎和抗氧化作用。总的来说，这缓解了线粒体损伤，平衡了细胞内环境稳态，并保护了炎症关键调节蛋白的转录。