自由基主要氧化損傷DNA、脂質及蛋白質等，檢測組織和生物體液中的氧化應激代謝產物對評價氧化應激狀態尤為重要。

過多的ROS引起的氧化損傷會導致包括DNA鍵斷裂、DNA位點突變、DNA雙鏈畸變等形式的DNA損傷。引起DNA氧化損傷的ROS 主要是-OH，-OH可攻擊脫氧核糖，使脫氧戊糖分解、 磷酸二酯鍵斷裂，引起DNA出現單鏈或雙鏈斷裂。

生物膜脂質中的磷脂富含多不飽和脂肪酸，在O?存在條件下，極易被自由基及其活性衍生物攻擊，生成過氧化脂質；后者逐漸分解為一系列復雜的化合物。其中過氧化脂質經脂氧基的β斷裂可產生許多醛類，如丙二醛，測定生物樣品中的丙二醛（MDA）含量可反映脂質過氧化水平。

蛋白質廣泛存在于細胞內外， 極易受ROS和RNS攻擊而使蛋白質的氨基酸發生氧化和硝化修飾。蛋白質羰基是多種氨基酸在蛋白質氧化修飾過程中的早期標志，其含量高低表明蛋白質氧化損傷程度的大小，是衡量蛋白質氧化損傷的主要指標。