O ciclo do oxigênio se dá pelo seu movimento e suas transformações na atmosfera, biosfera e a litosfera. Sua transformação pode se dar de maneira biológica, física, geológica e hidrológica.
Estando presente em diversos componentes químicos essenciais para a manutenção da vida, o oxigênio compõe o gás carbônico (CO2) e a água (H2O), que tornam possível a realização da fotossíntese. Uma parte deste oxigênio fica retido nos seres fotossintetizantes para sua própria manutenção e outra parcela é liberada no ambiente, tornando possível a respiração para os animais. Os seres fotossintetizantes são os principais liberadores de oxigênio em forma de gás para a atmosfera.
Acredita-se que 98% do oxigênio encontrado na atmosfera é proveniente dos fitoplânctons, que são seres microscópicos fotossintetizantes que vivem na coluna d’agua nos oceanos. Por muitos cientistas, esses organismos são considerados algas marinhas e são estudados dentro da botânica.
O oxigênio quando absorvido pelos animais, é utilizado para a respiração celular, em que as glicoses são degradadas liberando energia, água e gás carbônico. A água proveniente deste processo pode ser utilizada no próprio organismos para diversas finalidades ou liberada através das excreções, transpiração e decomposição, enquanto o gás carbônico é liberado durante o processo de respiração e decomposição.
Além dos ciclos biológicos, o oxigênio também pode ser consumido na combustão, no qual não é possível a formação do fogo sem o oxigênio combinado com outra substância. Este processo libera luz e calor.
A camada de ozônio é formada por uma parte do oxigênio contido na atmosfera. Com interferências dos raios solares o gás oxigênio (O2) se transforma em gás ozônio (O3) se aglomerando e formando uma camada. Esta camada interfere na incidência dos raios ultravioletas (UV) na biosfera, funcionando como uma barreira que não deixa a maioria dos raios UV passarem. Tal fenômeno é responsável por uma temperatura amena no planeta. A camada de ozônio está sendo afetada pela liberação de substâncias como os clorofluorcarbonos em decorrência da industrialização, deixando sua espessura mais fina e causando buracos nas regiões polares, facilitando o aquecimento e a penetração de raios UV. O aquecimento provoca o derretimento das geleiras nos pólos, e os raios UV afetam a saúde humana, causando câncer de pele e mutações genéticas.
Em 1987 entrou em vigor o Tratado de Montreal, no qual os países visam a manutenção da camada de ozônio, o que impulsionou estudos para a substituição de agentes nocivos.