Het gasvormige zuurstof reageert niet met water. Het is wel in water oplosbaar en functioneert hierin als oxidator:
O2 + 2 H2O + 4 e- -> 4 OH-
Ook de oxidatie van organisch stof in water door zuurstof is mogelijk. Hierbij gaat het om een vooral biologisch proces. Voor elk van deze stoffen kan een redox-reactievergelijking met behulp van de elektronenbalans opgesteld worden. Voorbeelden hiervoor zijn de volgende samengevatte vergelijkingen waarbij H2O is weggelaten:
Fe2+ + 0,25 O2 -> Fe(OH)3 + 2,5 H+
Mn2+ + O2 -> MnO2 + 2 H+
NH4+ + 2 O2 -> NO3- + 6 H+
CH4 + 2 O2 -> CO2 + 4 H+
Hieruit blijkt dat ammonium en methaan een hoog zuurstofverbruik hebben en dat bij de beschreven oxidatiereacties meer of minder veel zuur wordt gevormd. Dit zuur zal in water onder normale condities met HCO3- reageren, waardoor CO2 ontstaat. 
Het zuurstofatoom is heel reactief en vormt oxides met alle andere elementen behalve helium, neon, argon en krypton. Onder deze verbindingen zijn ook een groot aantal verbindingen die met water reageren, te vinden.

De oplosbaarheid van zuurstof bij 25oC en een druk van 1 bar ligt bij 40 mg O2 per kilogram water. In lucht met een normale samenstelling is de zuurstof-partiaaldruk circa 0,2 atm. Dit zorgt

ervoor dat zich in water dat in contact met lucht (met een luchtdruk van 1 bar en dus een zuurstof-partiaaldruk van 0,2 bar) staat, 40.0,2 = 8 mg O2/kg oplossen.
De oplosbaarheid van zuurstof is sterk afhankelijk van de temperatuur en neemt bij hogere temperaturen af. Ook het gehalte aan opgeloste substanties heeft een averechtse werking op de oplosbaarheid van zuurstof – stijgt het, neemt de oplosbaarheid af. Zo heeft zuurstof in bijvoorbeeld zeewater, afhankelijk van de temperatuur, een circa 1-3 mg/L lagere oplosbaarheid dan in zoetwater. 
De verzadigingsconcentratie in bergrivieren en –meeren is normaal lager dan in het laagland, omdat hij dus afhankelijk is van de luchtdruk.