Aby przystosować się do ewolucji z życia morskiego do lądowego, rośliny lądowe zaczęły wytwarzać przeciwutleniacze niespotykane w organizmach morskich, takie jak witamina C, polifenole i tokoferole. Między 50 a 200 milionami lat temu u roślin okrytozalążkowych wyewoluowało wiele naturalnych pigmentów przeciwutleniających,-szczególnie w okresie jurajskim-jako chemiczny środek zwalczania reaktywnych form tlenu, produktów ubocznych fotosyntezy. Pierwotnie termin „przeciwutleniacz” odnosił się konkretnie do substancji chemicznych, które zapobiegają wyczerpaniu się tlenu. Pod koniec XIX i na początku XX wieku szeroko zakrojone badania skupiały się na zastosowaniu przeciwutleniaczy w ważnych procesach przemysłowych, takich jak zapobieganie korozji metali, wulkanizacji gumy i osadzaniu się w silnikach spalinowych spowodowanym polimeryzacją paliwa.
Wczesne badania biologiczne nad przeciwutleniaczami koncentrowały się na tym, jak je stosować, aby zapobiec jełczeniu spowodowanemu utlenianiem nienasyconych kwasów tłuszczowych. Aktywność przeciwutleniającą można zmierzyć prostą metodą: umieszczając kawałek tłuszczu w-zamkniętym pojemniku wypełnionym tlenem i określając jego szybkość utleniania. Jednak wraz z odkryciem i potwierdzeniem witamin A, C i E, które mają właściwości przeciwutleniające, uwidoczniło się znaczenie przeciwutleniaczy w procesach biochemicznych organizmów żywych. Kiedy uznano, że substancje o działaniu przeciwutleniającym same w sobie mogą łatwo ulegać utlenieniu, rozpoczęto badanie możliwych mechanizmów działania przeciwutleniaczy. Badając, w jaki sposób witamina E zapobiega peroksydacji lipidów, wyjaśniono, że przeciwutleniacze, jako środki redukujące, zapobiegają uszkodzeniom komórek poprzez reakcję z reaktywnymi formami tlenu, osiągając w ten sposób swoje działanie przeciwutleniające.