由于抗氧化剂的种类较多，抗氧化剂的作用机理也不尽相同，归纳起来主要有以下几种：
1. 通过抗氧化剂的还原作用，降低食物系统中的氧含量；
2. 是打断氧化过程中的链式反应，防止氧化过程继续进行；
3. 是破坏和削弱氧化酶的活性，使其无法催化氧化反应；
4.是指能够催化并引起氧化反应的物质的封闭性，如络合物能催化金属离子的氧化反应。下面以油脂的自动氧化酸败和食品的酶促氧化褐变为例，简要介绍抗氧化剂的作用机理。
抗氧化剂对油脂氧化的抑制作用
天然油脂暴露在空气中会自发发生氧化反应，生成低级脂肪酸、醛类、酮类等，从而产生酸臭味和口感变差，这是油脂和含油食品变质的主要原因。油脂的自动氧化遵循自由基（又称游离基）反应机理。首先，脂肪分子（以 RH 表示）被热、光或金属离子及其他自由基引发剂激活，然后分解成不稳定的自由基 R- 和 H-。
当分子氧存在时，自由基与氧反应生成过氧自由基，过氧自由基与脂肪分子反应生成过氧化氢和自由基 R-，然后通过自由基 R- 的链式反应继续传递，直到自由基与自由基或自由基与自由基灭活剂（用 x 表示）的结合产生稳定的化合物，然后反应结束。
在这一过程中会产生许多短链羰基化合物，如醛、酮和羧酸，它们是产生酸败和口感不佳的主要物质，同时还存在大量过氧化物，也会对人体产生不良影响。
抗氧化剂的作用机理最重要的是终止链式反应的传递，其规律如下（以 AH 为抗氧化剂）：抗氧化剂的自由基 A- 没有活性，不能引起链式反应，但可以参与一些终止反应。例如A- A-→aa A- Roo-→rooa_ 。
油脂类抗氧化剂主要包括丁基羟基苯甲醚（BHA）、二丁基羟基甲苯（BHT）、没食子酸丙酯（PG）、叔丁基对苯二酚（TBHQ）、生育酚（维生素 E）等。它们都属于酚类抗氧化剂，在形成自由基后比较稳定，其原因可以解释如下：氧原子上未配对的单电子可以与苯环上的π电子云发生作用，从而产生共轭效应。这种共轭作用的结果是，成对电子并不固定在氧原子上，而是部分分布在苯环上。这样，自由基的能量就会降低，不再引发连锁反应，从而起到抗氧化作用。
抑制食物的酶促氧化褐变
酶促氧化褐变是食品中的酚氧化酶催化酚类物质氧化形成醌及其聚合物的一类反应。由于反应会产生类似黑色素的物质，食品的颜色会加深，从而影响食品的外观和质量。
酶促氧化褐变需要三个条件：酚氧化酶、氧气和适当的酚类物质。因此，抑制食品的酶促褐变可以从这三个条件来考虑。由于无法去除食品中的酚类物质，因此可以采用的主要措施是破坏和抑制酚氧化酶的活性，并消除氧气。在食品中添加适量的抗氧化剂，通过还原作用消耗食品系统中的氧气，从而起到防止食品酶促氧化褐变的作用。
