Sauerstoff bildet eine ionische Bindung mit Elementen wie Natrium und Kalzium und eine kovalente Bindung mit Elementen wie Kohlenstoff, Stickstoff, Wasserstoff und sich selbst. Gewöhnliches Sauerstoffgas besteht aus zwei kovalent miteinander verbundenen Sauerstoffatomen, während Ozon besteht aus drei.
Aufgrund der Bereitschaft von Sauerstoff, Bindungen mit Metallen, Wasserstoff und Kohlenstoff einzugehen, ist Sauerstoffgas extrem reaktiv, und die Oxidation von Kohlenwasserstoffen erzeugt in einem Prozess namens Verbrennung schnell Wärme. Wasserstoffbrückenbindungen bilden sich auch zwischen Wasserstoff und Sauerstoff aus, selbst wenn der Sauerstoff bereits kovalent an andere Wasserstoffatome gebunden ist, beispielsweise in Wasser. Diese Bindungen sind der Grund, warum Wasser in einem großen Temperaturbereich flüssig bleibt.
