氢气改善疾病主要基于其内源性抗氧化、抗炎症和抗细胞凋亡等作用。氧化损伤是癌症和纤维化等复杂疾病中机体炎症反应和细胞凋亡的始作俑者，因此氢气的抗炎症、抗细胞凋亡效应与其抗氧化作用密切相关。
(1)氢气的选择性抗氧化能力是其发挥活性的基础：羟基自由基(·OH)和过氧化亚硝酸离子(ONOO)是两种具有细胞毒性的强氧化剂，可攻击机体内核酸、脂质和蛋白质，导致DNA断裂、脂质过氧化和蛋白质失活。氢气可中和这两种强氧化剂，且氢气的抗氧化功能具选择性：它主要中和具细胞毒性的自由基，但并不清除体内生理功能所需的氧化应激产物。正常情况下，机体依靠抗氧化系统维持自由基的代谢平衡;但当自身稳态遭到破坏时，有害自由基则不能被及时清除从而对机体造成损害;而氢气就是这种恶性自由基的“克星”。氢分子具有扩散能力强、易穿透细胞膜和线粒体膜等生物膜结构、中和羟自由基的特点，可使细胞免受氧化应激导致的损伤。
氢气作为新型抗氧化剂，与传统的维生素C、β胡萝卜素、卵磷脂等抗氧化物质相比，具备更多优良特质。氢气的安全性、不清除正常生理需要的自由基等特质，为氢气贴上了绿色抗氧化标签。
(2)氢气的抗炎特性及机制：一篇发表于2001年的研究发现，吸入氢气改善寄生虫引起的肝脏炎症有效果，这是氢气首次被发现具有抗炎特性。此后，氢气的抗炎机制也逐渐被揭示：氢气可抑制关键炎症信号通路MAPK和核因子KB(NF-KB)的活性，减少炎症分子白细胞介素1和6(IL-1、IL-6)、肿瘤坏死因子Q(TNF-a)、高迁移率族蛋白1(HMGB-1)、NF-cB和前列腺素E2等促炎因子的表达水平，从而进一步抑制氧化应激诱导的炎性组织损伤。在机体中，氢气抗炎特性可体现在“抗组织损伤”“缓解风湿类慢性炎症疾病”及“改善中枢神经系统炎症”等三个方面。
综上，氢气具有明确的抗炎作用，且不存在激素和非甾体类药物的不良反应，使得氢气在慢性炎症性疾病中有巨大应用潜力，可以为人类控制慢性炎症性疾病发挥作用。
(3)氢气具有抗细胞凋亡作用：一方面，氢气可以抑制促凋亡因子表达，如B细胞淋巴瘤相关的X蛋白、caspase-3、caspase-8和caspase-12;另一方面，氢气也可上调抗凋亡因子，包括B细胞淋巴瘤-2因子。此外，氢气还可通过调节特定信号通路等间接过程来抑制凋亡。因此，氢气通过直接或间接阻断细胞内凋亡与炎症信号等通路，减轻氧化应激所诱导的细胞凋亡，增加抗凋亡蛋白的表达，促进细胞增殖，延缓衰老。
