Um sich an den Übergang vom Meeres- zum Landleben anzupassen, begannen Landpflanzen, Antioxidantien zu produzieren, die in Meeresorganismen nicht vorkommen, wie etwa Vitamin C, Polyphenole und Tocopherole. Vor 50 bis 200 Millionen Jahren entwickelten Angiospermen zahlreiche antioxidative Pigmente-besonders während der Jurazeit-als chemische Abwehr gegen reaktive Sauerstoffspezies, ein Nebenprodukt der Photosynthese. Ursprünglich bezog sich der Begriff Antioxidans speziell auf Chemikalien, die den Sauerstoffmangel verhinderten. Im späten 19. und frühen 20. Jahrhundert konzentrierten sich umfangreiche Forschungsarbeiten auf den Einsatz von Antioxidantien in wichtigen industriellen Prozessen, beispielsweise der Verhinderung von Metallkorrosion, Gummivulkanisation und der durch Kraftstoffpolymerisation verursachten Verschmutzung von Verbrennungsmotoren.
Frühe Forschungen zur biologischen Verwendung von Antioxidantien konzentrierten sich darauf, wie man Ranzigkeit verhindern kann, die durch die Oxidation ungesättigter Fettsäuren verursacht wird. Die antioxidative Aktivität könnte einfach durch Messung der Oxidationsrate eines Fettstücks in einem mit Sauerstoff angereicherten, verschlossenen Behälter gemessen werden. Mit der Entdeckung und Bestätigung der antioxidativen Eigenschaften der Vitamine A, C und E wurde jedoch die Bedeutung von Antioxidantien für die biochemischen Prozesse lebender Organismen erkannt. Die Erforschung der möglichen Wirkungsmechanismen von Antioxidantien begann mit der Erkenntnis, dass Substanzen mit antioxidativer Aktivität selbst anfällig für Oxidation sein könnten. Durch die Untersuchung, wie Vitamin E die Lipidperoxidation verhindert, wurde deutlich, dass Antioxidantien als Reduktionsmittel wirken, indem sie mit reaktiven Sauerstoffspezies reagieren und so verhindern, dass sie Zellen schädigen und ihre antioxidative Wirkung entfalten.
