由于抗氧化劑種類較多，抗氧化的作用機理也不盡相同，比較復雜，存在著多種可能性。歸納起來，主要有以下幾種：一是通過抗氧化劑的還原作用，降低食品體系 中的氧含量；二是中斷氧化過程中的鏈式反應，阻止氧化過程進一步進行；三是破壞、減弱氧化酶的活性，使其不能催化氧化反應的進行；四是將能催化及引起氧化 反應的物質封閉，如絡合能催化氧化反應的金屬離子等。
下面以油脂自動氧化酸敗和食品酶促氧化褐變為例，對抗氧化劑的作用機理加以簡單介紹。
(1)抗氧化劑對油脂氧化的抑制;
天然油脂暴露在空氣中會自發地發生氧化反應，氧化產物分解生成低級脂肪酸、醛、酮等，產生惡劣的酸臭和口味變壞等，這一現象就稱為油脂的自動氧化酸敗，此 現象是油脂及含油食品敗壞變質的主要原因。油脂的自動氧化遵循自由基(也稱游離基)反應機制，它包括以下4個階段(式中以RH代表脂肪或脂肪酸分子)。
第一階段：引發 在第一階段反應中，脂肪分子(RH)被熱、光或金屬離子等白由基引發劑活化后，分解成不穩定的自由基R•和H•。由于自由基能重新結合成RH、RR、H2 等，因此，易于消失。但當有分子氧存在時．自由基可以與O2反應生成過氧化物自由基。然后，此過氧化物自由基又和脂肪分子反應，生成氫過氧化物和自由基 R•，通過自由基R•的鏈式反應．又再傳遞下去。此時就是沒有活化劑的引發，自由基也能不斷產生。隨著反應的進行，更多的脂肪分子轉變成氫過氧化物，氫過 氧化物進一步變化，產生更多的自由基。當自由基和自由基或自由基和自由基失活劑(以X表示)相結合，產生穩定化合物時，反應便告結束。
反應過程中產生許多短鏈羰基化合物，如醛、酮、羧酸等．是產生酸敗和劣味的主要物質，而大經過氧化物的存在，對人體也會產生不良結果。
抗氧化劑的作用機理最主要是終止鏈式反應的傳遞用模式如下(以AH代表抗氧化劑)：
AH十R00•→R00H十A•+
AH十R•→RH十A•MszHq
抗氧化劑的自由基A•沒有活性，它不能引起鏈式反應，卻能參與一些終止反應。如：
A•十A•→AA
A•十Roo•→ROOA_
油脂類抗氧化劑主要有丁基羥基茴香醚(BHA)、二丁基羥基甲苯(BHT)、沒食子酸丙酯(PG)、特丁基對苯二酚（TBHQ）、生育酚(維生素E)等，它們皆屬于酚類抗氧化劑，在形成自由基后比較穩定，其原因可解釋為：
氧原子上不成對單電子能與苯環上的π電子云作用，發生共軛效應。這種共軛的結果使個成對電子并不固定在氧原子上，而是部分分布到苯環上。這樣，自由基的能量就有所降低，因此比較穩定，不再引發鏈式反應，起到了抗氧化作用。
(2)食品酶促氧化褐變的抑制
酶促氧化褐變是食品中酚氧化酶催化酚類物質發生氧化形成醌及其聚合物的一類反應。由于反應生成了黑色素類物質．使食品的顏色加深，從而影響了食品的外觀質量。
發生酶促氧化褐變需要3個條件：①酚氧化酶，②氧，②適當的酚類物質，這3個條件缺一不可。因此抑制食品酶促氧化褐變便可從這3個條件考慮。由于從食品中 除去酚類物質的可能性較小，可以采用的主要措施就是破壞和抑制酚氧化酶的活性及消除氧。若在食品中添加適量的抗氧化劑，通過還原作用，消耗掉食品體系中的 氧，就可起到防止食品的酶促氧化褐變。