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酸素にはいくつかの同素体が知られています。最もよく知られているのは分子状酸素（O₂ ）で、地球の大気中にかなりの量存在し、二酸素または三重項酸素とも呼ばれます。もう一つは反応性の高いオゾン（O₃ ）です。その他には以下のようなものがあります。
原子状酸素（O または O 1と表記）は非常に反応性が高く、酸素の個々の原子は近くの分子とすぐに結合する傾向があります。その最低エネルギー電子状態はスピン三重項であり、記号3 P で表されます。地球の表面では、自然に非常に短い時間だけ存在します。宇宙空間では、豊富な紫外線放射の存在により、低軌道大気が形成され、その中の酸素の 96% が原子状で存在します。[ 7 ]
地球上の元素酸素の一般的な同素体であるO 2は、一般に酸素として知られていますが、元素自体や三原子同素体であるオゾンO 3と区別するために、二酸素、二原子酸素、分子酸素、ジオキシン、または酸素ガスと呼ばれることがあります。[ 9 ] [ 10 ]元素酸素は、地球の大気の主要成分 (体積比で約 21%) として、二原子形態で最も一般的に見られます。好気性生物は、化学エネルギーを得るために、細胞呼吸の最終酸化剤として大気中の二酸素を使用します。二酸素の基底状態は、不対電子が 2 つあるため、三重項酸素3 [ O 2 ]として知られています。最初の励起状態である一重項酸素1 [ O 2 ]は、不対電子がなく、準安定です。二重項状態は奇数個の電子を必要とするため、超酸化物イオン（O − 2）や二酸素イオン（O + 2）のように電子を得たり失ったりしない限り、二酸素では発生しない。
O 2の基底状態の結合長は 121 pm、結合エネルギーは 498 kJ/mol です。[ 11 ]沸点が−183 °C (90 K; −297 °F)の無色の気体です。[ 12 ]沸点が−196 °C (77 K; −321 °F)の液体窒素で冷却することにより、空気から凝縮させることができます。液体酸素は淡青色で、不対電子のために非常に顕著な常磁性を示します。糸で吊るされたフラスコ内の液体酸素は磁石に引き寄せられます。
一重項酸素は、基底状態の三重項酸素よりもエネルギーが高い、分子状酸素（O₂）の2つの準安定状態を表す一般的な名称です。電子殻の違いにより、一重項酸素は三重項酸素とは異なる化学的および物理的性質を持ち、異なる波長で光を吸収および放出します。一重項酸素は、ローズベンガル、メチレンブルー、ポルフィリンなどの色素分子からのエネルギー移動による光増感プロセス、または水中での三酸化水素の自然分解や過酸化水素と次亜塩素酸塩の反応などの化学プロセスによって生成できます。
三原子酸素（オゾン、O 3）は、酸素の非常に反応性の高い同素体であり、標準温度と圧力では淡青色の気体です。液体および固体のO 3は、通常のO 2よりも濃い青色をしており、不安定で爆発性があります。[ 13 ] [ 14 ]気体状態のオゾンは、ゴムや布などの材料を破壊し、肺組織に損傷を与えます。[ 15 ]電気モーター、レーザープリンター、コピー機から発生する、塩素のような刺激臭として微量に検出できます。これは、空気が放電を受けると必ず生成されるためです。[ 12 ] 1840年にクリスティアン・フリードリヒ・シェーンバインによって「オゾン」と名付けられました。[ 16 ]古代ギリシャ語のὄζειν（ozein：「匂いを嗅ぐ」）に、当時派生複合語を示すためによく使われていた接尾辞-onを付け、英語化して-oneとしました。[ 17 ]
オゾンは熱力学的に不安定で、より一般的な二酸素形態に反応する傾向があります。オゾンは、上層大気中の紫外線がO₂を分解して生成された原子状酸素と無傷のO₂との反応によって生成されます。[ 13 ]オゾンは紫外線を強く吸収し、成層圏では太陽紫外線の突然変異誘発作用やその他の有害な影響から生物圏を守るシールドとして機能します（オゾン層を参照）。[ 13 ]対流圏オゾンは、自動車の排気ガス中の二酸化窒素の光化学的分解によって地表付近で生成されます。[ 18 ]地表オゾンは、高齢者、子供、肺気腫、気管支炎、喘息などの心臓や肺の疾患を持つ人にとって特に有害な大気汚染物質です。[ 19 ]免疫系は抗菌剤としてオゾンを生成します（下記参照）。[ 20 ]
環状オゾンは、理論的に予測されたO₃分子であり、その3つの酸素原子は、開いた角度ではなく正三角形で結合している。
テトラオキシゲンは、1900年代初頭にオキソゾンとして知られていた頃から存在が疑われていた。2001年にローマ大学のフルヴィオ・カカチェ率いるチームによって同定された。[ 21 ]分子O4は、後にO8として同定された固体酸素の相の1つにあると考えられていた。カカチェのチームは、O4はおそらく、誘起双極子分散力によって緩く結合した2つのダンベル状のO2分子から構成されていると示唆した。
5つの酸素同素体の計算解析によると、それはエンベロープ配座を持つシクロペンタンのような構造を持つことが示唆されている。[ 22 ]
6酸素同素体の計算解析によると、椅子型およびねじれ型の配座を持つシクロヘキサン様の構造を持つことが示唆されている。[ 22 ]
固体酸素には 6 つの異なる相が知られています。そのうちの 1 つは暗赤色のO 8クラスターです。酸素は 96 GPaの圧力にさらされると、水素と同様に金属的になり[ 23 ]、セレン(元素状態ではピンクがかった赤色を示す)、テルル、ポロニウムなどのより重いカルコゲンに似てきます。これらはどちらも顕著な金属的性質を示します。非常に低い温度では、この相は超伝導にもなります。