I ROS includono sia radicali liberi che molecole non radicali. I radicali liberi sono atomi o molecole che contengono almeno un elettrone non appaiato (elettrone dispari, che viene rappresentato graficamente come "•") sugli orbitali esterni e hanno quindi spiccata tendenza sia a formare legami con altre specie chimiche, sia a acquistare o cedere elettroni, così da raggiungere una configurazione elettronica più favorevole dal punto di vista energetico. Per la loro tendenza ad appaiare questi elettroni dispari, i radicali liberi sono altamente reattivi e perciò instabili e di vita media molto breve.