Para adaptarse a su evolución de la vida marina a la terrestre, las plantas terrestres comenzaron a producir antioxidantes que no se encuentran en los organismos marinos, como la vitamina C, los polifenoles y los tocoferoles. Hace entre 50 y 200 millones de años, las angiospermas desarrollaron muchos pigmentos antioxidantes naturales-especialmente durante el período Jurásico-como medio químico para combatir las especies reactivas de oxígeno, subproductos de la fotosíntesis. Originalmente, el término "antioxidante" se refería específicamente a sustancias químicas que previenen el agotamiento del oxígeno. A finales del siglo XIX y principios del XX, una extensa investigación se centró en el uso de antioxidantes en importantes procesos industriales, como la prevención de la corrosión de metales, la vulcanización del caucho y la acumulación en los motores de combustión interna causada por la polimerización del combustible.
Las primeras investigaciones biológicas sobre los antioxidantes se centraron en cómo utilizarlos para prevenir la rancidez causada por la oxidación de los ácidos grasos insaturados. La actividad antioxidante podría medirse mediante un método sencillo: colocar un trozo de grasa en un recipiente sellado y lleno de oxígeno-y determinar su tasa de oxidación. Sin embargo, con el descubrimiento y la confirmación de las vitaminas A, C y E, que tienen propiedades antioxidantes, se hizo evidente la importancia de los antioxidantes en los procesos bioquímicos de los organismos vivos. Una vez que se reconoció que las sustancias con actividad antioxidante pueden oxidarse fácilmente, comenzó la exploración de los posibles mecanismos de acción de los antioxidantes. Al estudiar cómo la vitamina E previene la peroxidación lipídica, se aclaró que los antioxidantes, como agentes reductores, previenen el daño celular al reaccionar con especies reactivas de oxígeno, logrando así su efecto antioxidante.
