Si pensa che lo stress ossidativo contribuisca allo sviluppo di una vasta gamma di malattie, tra cui malattia di Alzheimer, malattia di Parkinson, le patologie causate dal diabete artriti reumatoidi, e neurodegenerazione nella sclerosi laterale amiotrofica. In molti di questi casi, non è chiaro se gli ossidanti scatenano la malattia o se sono prodotti in conseguenza della malattia e ne causano i sintomi; come alternativa plausibile, una malattia neurodegenerativa può essere il risultato di una defezione nel trasporto axoplasmico dei mitocondri, che svolge le reazioni ossidative. Un caso in cui questo collegamento è ben conosciuto è il ruolo dello stress ossidativo nelle malattie cardiovascolari. Qui, l'ossidazione delle lipoproteine a bassa densità (LDL) appare svolgere il processo di aterogenesi, che porta all'arteriosclerosi, e infine alla malattia cardiovascolare.