Για να προσαρμοστούν στη μετάβαση από τη θαλάσσια στη χερσαία ζωή, τα χερσαία φυτά άρχισαν να παράγουν αντιοξειδωτικά που δεν βρίσκονται σε θαλάσσιους οργανισμούς, όπως βιταμίνη C, πολυφαινόλες και τοκοφερόλες. Μεταξύ 50 και 200 εκατομμυρίων ετών πριν, τα αγγειόσπερμα εξέλιξαν πολυάριθμες αντιοξειδωτικές χρωστικές-ιδιαίτερα κατά τη διάρκεια της Ιουρασικής περιόδου-ως χημική άμυνα ενάντια στα αντιδραστικά είδη οξυγόνου, ένα υποπροϊόν της φωτοσύνθεσης. Αρχικά, ο όρος αντιοξειδωτικό αναφερόταν ειδικά σε χημικές ουσίες που εμπόδιζαν την εξάντληση του οξυγόνου. Στα τέλη του 19ου και στις αρχές του 20ου αιώνα, εκτεταμένη έρευνα επικεντρώθηκε στη χρήση αντιοξειδωτικών σε σημαντικές βιομηχανικές διεργασίες, όπως η πρόληψη της διάβρωσης μετάλλων, ο βουλκανισμός από καουτσούκ και η ρύπανση του κινητήρα εσωτερικής καύσης που προκαλείται από τον πολυμερισμό καυσίμου.
Η πρώιμη έρευνα σχετικά με τη βιολογική χρήση των αντιοξειδωτικών επικεντρώθηκε στον τρόπο πρόληψης της τάγγισης που προκαλείται από την οξείδωση των ακόρεστων λιπαρών οξέων. Η αντιοξειδωτική δράση θα μπορούσε να μετρηθεί με απλή μέτρηση του ρυθμού οξείδωσης ενός κομματιού λίπους σε ένα οξυγονωμένο, σφραγισμένο δοχείο. Ωστόσο, με την ανακάλυψη και επιβεβαίωση των αντιοξειδωτικών ιδιοτήτων των βιταμινών Α, C και Ε, αναγνωρίστηκε η σημασία των αντιοξειδωτικών στις βιοχημικές διεργασίες των ζωντανών οργανισμών. Η διερεύνηση των πιθανών μηχανισμών δράσης των αντιοξειδωτικών ξεκίνησε με τη συνειδητοποίηση ότι ουσίες με αντιοξειδωτική δράση μπορεί να είναι και οι ίδιες ευαίσθητες στην οξείδωση. Μελετώντας πώς η βιταμίνη Ε αποτρέπει την υπεροξείδωση των λιπιδίων, κατέστη σαφές ότι τα αντιοξειδωτικά δρουν ως αναγωγικοί παράγοντες αντιδρώντας με αντιδραστικά είδη οξυγόνου, εμποδίζοντάς τα έτσι να βλάψουν τα κύτταρα και να επιτύχουν τα αντιοξειδωτικά τους αποτελέσματα.
