當導熱油的溫度高于60℃時，會與空氣中的氧氣反應生成氧化降解產物（包括有機酸）和具有更高相對分子質量的縮聚產物，這些反應產物具有比未被氧化導熱油更低的穩定性，并會起到增大導熱油黏度、加劇裂解的作用。采用氮氣或惰性氣體封閉覆蓋的方法能夠避免系統內使用的導熱油被氧化。

導熱油在高溫使用過程中，由于氧原子的襲擊會使其發生氧化降解。反應初期的主要產物是由氫過氧化物在適當條件下分解成活性自由基，該自由基又與大分子烴或氧反應生成新的自由基，這樣周而復始地循環，使氧化反應按自由基鏈式歷程進行。

溫度越高，導熱油氧化變質的速度越快。在導熱油中添加抗氧劑，就是為了捕捉鏈反應階段形成的自由基，使它們不致引起有破壞作用的鏈式反應。