自由基主要氧化损伤DNA、脂质及蛋白质等，检测组织和生物体液中的氧化应激代谢产物对评价氧化应激状态尤为重要。

过多的ROS引起的氧化损伤会导致包括DNA键断裂、DNA位点突变、DNA双链畸变等形式的DNA损伤。引起DNA氧化损伤的ROS 主要是-OH，-OH可攻击脱氧核糖，使脱氧戊糖分解、 磷酸二酯键断裂，引起DNA出现单链或双链断裂。

生物膜脂质中的磷脂富含多不饱和脂肪酸，在O₂存在条件下，极易被自由基及其活性衍生物攻击，生成过氧化脂质；后者逐渐分解为一系列复杂的化合物。其中过氧化脂质经脂氧基的β断裂可产生许多醛类，如丙二醛，测定生物样品中的丙二醛（MDA）含量可反映脂质过氧化水平。

蛋白质广泛存在于细胞内外， 极易受ROS和RNS攻击而使蛋白质的氨基酸发生氧化和硝化修饰。蛋白质羰基是多种氨基酸在蛋白质氧化修饰过程中的早期标志，其含量高低表明蛋白质氧化损伤程度的大小，是衡量蛋白质氧化损伤的主要指标。