El oxígeno es un gas incoloro, inodoro e insípido que es ligeramente soluble (1,2 pulgadas cúbicas por 39,4 pulgadas cúbicas de agua) a temperatura ambiente. Es considerablemente más soluble en algunos disolventes orgánicos, como el alcohol etílico, el tetracloruro de carbono y el benceno. El oxígeno es menos soluble en el agua de mar que en el agua pura, aunque sigue siendo lo suficientemente soluble como para permitir la supervivencia de los organismos marinos.
El oxígeno existe en tres formas alotrópicas, oxígeno monatómico (O), oxígeno diatómico (O2) y oxígeno triatómico (O3). El primero de ellos se denomina a veces oxígeno naciente, y el último se conoce más comúnmente como ozono. En la mayoría de las circunstancias de la naturaleza, predomina la forma diatómica del oxígeno. Sin embargo, en la parte superior de la estratosfera, la energía solar provoca la descomposición de la forma diatómica en la forma monatómica, que puede recombinarse con moléculas diatómicas para formar ozono. La presencia de ozono en la atmósfera terrestre es fundamental para la supervivencia de la vida en la Tierra, ya que ese alótropo tiene tendencia a absorber la radiación ultravioleta que, de otro modo, sería perjudicial o incluso mortal para la vida vegetal y animal de la superficie del planeta.
Algunos científicos están ahora preocupados por el posible agotamiento de la capa de ozono en la estratosfera superior. Existen pruebas fehacientes de que ciertas sustancias químicas sintéticas, como los freones y los compuestos conocidos como clorofluorocarbonos (CFC), pueden estar causando la destrucción de las moléculas de ozono en la atmósfera. La teoría más aceptada dice que la radiación solar hace que esas sustancias químicas se rompan, liberando un átomo de cloro libre en la estratosfera. Ese átomo de cloro reacciona entonces con las moléculas de ozono, convirtiéndolas en moléculas de oxígeno diatómico. Uno de los aspectos inquietantes de esta teoría es que sugiere que un solo átomo de cloro puede causar la descomposición de muchos miles de moléculas de ozono.
El peligro medioambiental que plantea esta serie de reacciones es que se espera que el nivel de radiación ultravioleta que llega a la tierra aumente a medida que se destruyen más y más moléculas de ozono. La radiación ultravioleta ha sido implicada en una serie de problemas biológicos para las plantas, los animales y los seres humanos, incluyendo un aumento del cáncer de piel y de los problemas oculares. En respuesta a esta amenaza, la mayoría de las naciones del mundo han acordado reducir la cantidad de freones, CFC y otros productos químicos que agotan la capa de ozono que se producen y venden cada año.