氢分子是最小的气体分子，氢原子由两个质子和两个电子构成，比较稳定，在水中与氧自由基和羟基起反应，但这一反应的反应常数比较低。氢分子很小，容易通过细胞，所以估计氢分子与其他分子的碰撞非常多见，这可能改善其反应常数低的情况。氢能特异性地与羟基等自由基起反应，减少其浓度，减少活性氧的作用。目前认为，氢气的抗氧化的优势在于以下两个方面。
(1)氢对生物膜的通透性很高，细胞内的弥散能力很高，使得氢气很容易到达亚细胞器，如线粒体。
(2)特异性的减少羟基的毒性作用，使得其他重要的活性氧和硝基等保持稳定，可能比维生素C和维生素E等抗氧化补充剂要好些。目前氢的神经保护机制尚不明确，有研究表明：除了能特异地减少羟基和过氧亚硝基等氧自由基外，氢分子能调节的信号通路包括分子的表达、基因和小RNA的表达，最终影响抗再灌注损伤、抗炎症、抗凋亡等共同通路。
