由于抗氧化剂种类较多，抗氧化的作用机理也不尽相同，比较复杂，存在着多种可能性。归纳起来，主要有以下几种：一是通过抗氧化剂的还原作用，降低食品体系中的氧含量；二是中断氧化过程中的链式反应，阻止氧化过程进一步进行；三是破坏、减弱氧化酶的活性，使其不能催化氧化反应的进行；四是将能催化及引起氧化反应的物质封闭，如络合能催化氧化反应的金属离子等。
下面以油脂自动氧化酸败和食品酶促氧化褐变为例，对抗氧化剂的作用机理加以简单介绍。
(1)抗氧化剂对油脂氧化的抑制
天然油脂暴露在空气中会自发地发生氧化反应，氧化产物分解生成低级脂肪酸、醛、酮等，产生恶劣的酸臭和口味变坏等，这一现象就称为油脂的自动氧化酸败，此现象是油脂及含油食品败坏变质的主要原因。油脂的自动氧化遵循自由基(也称游离基)反应机制，它包括以下4个阶段(式中以RH代表脂肪或脂肪酸分子)。
第一阶段：引发 在第一阶段反应中，脂肪分子(RH)被热、光或金属离子等白由基引发剂活化后，分解成不稳定的自由基R•和H•。由于自由基能重新结合成RH、RR、H2等，因此，易于消失。但当有分子氧存在时．自由基可以与O2反应生成过氧化物自由基。然后，此过氧化物自由基又和脂肪分子反应，生成氢过氧化物和自由基R•，通过自由基R•的链式反应．又再传递下去。此时就是没有活化剂的引发，自由基也能不断产生。随着反应的进行，更多的脂肪分子转变成氢过氧化物，氢过氧化物进一步变化，产生更多的自由基。当自由基和自由基或自由基和自由基失活剂(以X表示)相结合，产生稳定化合物时，反应便告结束。
反应过程中产生许多短链羰基化合物，如醛、酮、羧酸等．是产生酸败和劣味的主要物质，而大经过氧化物的存在，对人体也会产生不良结果。
抗氧化剂的作用机理最主要是终止链式反应的传递用模式如下(以AH代表抗氧化剂)：
AH十R00•→R00H十A•+
AH十R•→RH十A•MszHq
抗氧化剂的自由基A•没有活性，它不能引起链式反应，却能参与一些终止反应。如：
A•十A•→AA
A•十Roo•→ROOA_
油脂类抗氧化剂主要有丁基羟基茴香醚(BHA)、二丁基羟基甲苯(BHT)、没食子酸丙酯(PG)、特丁基对苯二酚（TBHQ）、生育酚(维生素E)等，它们皆属于酚类抗氧化剂，在形成自由基后比较稳定，其原因可解释为：
氧原子上不成对单电子能与苯环上的π电子云作用，发生共轭效应。这种共轭的结果使个成对电子并不固定在氧原子上，而是部分分布到苯环上。这样，自由基的能量就有所降低，因此比较稳定，不再引发链式反应，起到了抗氧化作用。
(2)食品酶促氧化褐变的抑制
酶促氧化褐变是食品中酚氧化酶催化酚类物质发生氧化形成醌及其聚合物的一类反应。由于反应生成了黑色素类物质．使食品的颜色加深，从而影响了食品的外观质量。
发生酶促氧化褐变需要3个条件：①酚氧化酶，②氧，②适当的酚类物质，这3个条件缺一不可。因此抑制食品酶促氧化褐变便可从这3个条件考虑。由于从食品中除去酚类物质的可能性较小，可以采用的主要措施就是破坏和抑制酚氧化酶的活性及消除氧。若在食品中添加适量的抗氧化剂，通过还原作用，消耗掉食品体系中的氧，就可起到防止食品的酶促氧化褐变。