氧气由氧分子（O2）构成。每一个氧气分子由2个氧原子构成。

氧气是双原子分子，两个氧原子形成共价键，一个2p轨道形成σ键，另两个2p轨道形成π键。其分子轨域式为(σ1s)2(σ1s*)2(σ2s)2(σ2s*)2(σ2p)2(π2p)4(π2p*)2，因此氧气是奇电子分子，具有顺磁性。

分子结构编辑


氧气分子的轨域图。[3]左右两旁为各氧原子的原子轨域，中间为原子轨域重叠后所形成的分子轨域。共12个2p电子根据构造原理从低至高顺序填入分子轨域，其中最高两个电子不成对，是氧气诸多性质的根源。
氧气分子
由两个氧原子键合组成，又称双原子氧。分子轨域理论能够很好地解释氧气分子的键合和性质（见图）。两个氧原子各自的s轨域和p轨域结合后，形成一系列成键与反键分子轨域。和原子轨域分别结合，形成成键分子轨域和反键分子轨域。原子轨域结合后，成为6个能级不同的分子轨域──、和成键轨域，以及对应的、和反键轨域，其中两个轨域及两个π*的能量分别相同。[3]

电子按照构造原理，从低能量至高能量顺序填入分子轨域。
电子共有8个，其中两个填入，四个分别成对填入两个π轨域，余下两个不成对地分别填入两个轨域。从成键轨域电子数和反键轨域电子数可得出，氧气分子的键级为。[3]这两个不成对电子是氧气分子的价电子，它们决定了氧气的性质。

根据洪德规则，在基态下两个价电子的自旋互相平行，因此氧气分子的最低能态为三线态，即有三个能量相同而自旋不同的量子态。由于两个价电子不成对，所以两个
轨域均处于半满的状态。这使得氧气有双自由基的性质，还可以解释氧气的顺磁性。（氧气分子之间的负交换能也导致一部分的顺磁性。）[5][6]由于含不成对电子，所以氧气与多数有机分子的反应较慢，有机物因而不会自发燃烧。[7]

氧气分子除了有能量最低的三线态（
）以外，还有两种能量高得多的单态。在这两个激发态下，两个价电子的自旋互相反平行，违反洪德规则。这两种单态的差别在于，两个价电子是位于同一个轨域中（），还是分开占据两个轨域（）。在能量上不稳定，会迅速变为更稳定的。状态下的氧气有抗磁性，而状态下的氧气则因为既有的轨道磁矩而具有顺磁性，其磁强度与三线态氧相约。[8][9]

单态氧对于有机物的反应性比普通氧气分子强得多。短波长光在分解对流层中的臭氧时会产生单态氧。[10]在免疫系统中，单态氧是活性氧的来源之一。[11]光合作用会利用阳光的能量，从水产生出单态氧。[12]在进行光合作用的生物中，类胡萝卜素有助吸收单态氧的能量，并将它转换成基态氧，从而避免单态氧对组织造成损坏。[13]