Zuurstof is een kleurloos, reukloos, smaakloos gas dat bij kamertemperatuur slecht oplosbaar is (1,2 kubieke in per 39,4 kubieke in water). Het is aanzienlijk beter oplosbaar in sommige organische oplosmiddelen, zoals ethylalcohol, tetrachloorkoolstof en benzeen. Zuurstof is minder oplosbaar in zeewater dan in zuiver water, hoewel nog steeds oplosbaar genoeg om de overleving van mariene organismen te ondersteunen.
Zuurstof bestaat in drie allotrope vormen, mono-atomair zuurstof (O), diatomair zuurstof (O2), en trio-atomair zuurstof (O3). De eerste vorm wordt soms ook wel natiefzuurstof genoemd, en de laatste vorm is meer bekend als ozon. Onder de meeste omstandigheden in de natuur overheerst de diatomische vorm van zuurstof. In het bovenste gedeelte van de stratosfeer echter veroorzaakt zonne-energie de afbraak van de diatome vorm in de monatome vorm, die dan kan recombineren met diatome moleculen om ozon te vormen. De aanwezigheid van ozon in de atmosfeer van de aarde is van cruciaal belang voor het voortbestaan van het leven op aarde, aangezien deze allotroop de neiging heeft ultraviolette straling te absorberen die anders schadelijk of zelfs dodelijk zou zijn voor zowel plantaardig als dierlijk leven op het aardoppervlak.
Sommige wetenschappers maken zich thans zorgen over de mogelijke afbraak van de ozonlaag in de bovenste stratosfeer. Er zijn sterke aanwijzingen dat bepaalde synthetische chemicaliën, zoals de Freons en verbindingen die bekend staan als de chloorfluorkoolwaterstoffen (CFK’s), de vernietiging van ozonmoleculen in de atmosfeer kunnen veroorzaken. De meest gangbare theorie is dat dergelijke chemicaliën door zonnestraling uiteenvallen, waarbij een vrij chlooratoom vrijkomt in de stratosfeer. Dat chlooratoom reageert vervolgens met ozonmoleculen, waardoor deze worden omgezet in diatomische zuurstofmoleculen. Een van de verontrustende aspecten van deze theorie is dat zij suggereert dat één enkel chlooratoom de afbraak van vele duizenden ozonmoleculen kan veroorzaken.
Het gevaar voor het milieu van deze reeks reacties is dat het niveau van de ultraviolette straling die de aarde bereikt, naar verwachting zal toenemen naarmate meer en meer ozonmoleculen worden vernietigd. Ultraviolette straling is in verband gebracht met een aantal biologische problemen voor planten, dieren en mensen, waaronder een toename van huidkanker en oogproblemen. Als reactie op deze dreiging zijn de meeste landen in de wereld overeengekomen de hoeveelheid freonen, CFK’s en andere ozonafbrekende chemicaliën die elk jaar worden geproduceerd en verkocht, te verminderen.