人类很早就与火打交道，钻木取火，用火取暖，烹煮食物，烧制陶器和砖瓦，冶炼青铜器和铁器等。正是这些应用，极大地促进了当时社会生产力的发展，成为人类进步的标志。
但对于为什么物质会燃烧起火，以往人们却一直概念模糊。古代中国人从阴阳五行的观点认为“木能生火”，古希腊人则认为火是一种基本元素。到中世纪欧洲文艺复兴时期，随着炼金术而诞生的早期化学家通过大量实验观察，创立了燃素说。
尽管燃素说是错误的，但与炼金术相比仍是很大的进步。它把当时人们通过大量实验获得的结果统一在一个概念之下，近似解释了燃烧过程中的化学反应，因而得到广泛接受。特别是燃素说认为，化学反应是一种物质转移到另一种物质的过程，反应过程中物质守恒，这些观点奠定了近代化学理论的基础。
18世纪很多欧洲化学家都兼做药剂师的职业，在长期配制各种药剂的同时，他们通过实验分离、提纯了许多新物质，也合成了许多化合物。瑞典化学家舍勒在加热火硝（即硝酸钾）和红汞（即氧化汞）时获得一种以前从未见过的气体，可燃物在这种气体中燃烧比在空气中燃烧更为剧烈，他称此为“火气”。
不久，英国化学家普利斯特利也发现了这种气体。他发现，老鼠在这种气体里过得非常舒服。受好奇心的驱使，他也尝试吸取了这种气体，肺部的感觉和平时吸入普通空气一样，但身心觉得十分轻快舒畅，他称此为“脱燃素气”。
法国化学家拉瓦锡在研究白磷燃烧时发现，燃烧产物的重量增加了。经测定，消耗的空气大约有1/5，燃烧产物所增加的重量和所消耗的空气重量基本相同。燃素说认为燃烧是分解过程，燃烧产物应该比可燃物质量轻，而拉瓦锡实验的结果却是截然相反。此后，他做了很多实验来证明燃素说的错误，发现所有酸中都含有“脱燃素气”的物质成分，因此把这种气体称为“氧气”，意思是酸之源。
他发现，白磷燃烧时增加的重量恰好是氧气减少的重量，这表明可燃物燃烧时其实是吸收了氧气，与氧形成化合物。拉瓦锡还用实验研究了动物的呼吸作用，发现氧气在动物体内与碳化合，生成二氧化碳，同时放出热，这与燃烧有机物的情况完全一样。
1777年9月，拉瓦锡向法国科学院提交了《燃烧概论》一书，系统地阐述了氧化学说。这部书很快被翻译成多国语言，氧化论逐渐替代燃素说，拉瓦锡因此成为近代化学的奠基者。
以后，科学家们更深入地研究了氧的各种特性，确定了氧气的分子组成，根据氧化合物各成分的质量比测定出氧原子的相对质量，得到氧原子平均质量为2.66×10-23g。氧在地球上分布极广，在大气中占23%，在地壳中含量为48.6%，居元素首位。