氧自由基在组织内产生，能和体内DNA、蛋白质、碳水化合物和脂类等重要的大分子反应，损坏它们的功能，引起一系列的疾病，如癌症、心血管疾病和衰老等，番茄红素可猝灭单线态氧(1O2)和清除过氧化氢等。
番茄红素能够接受不同电子激发态的能量，这个作用可以使单线态氧的能量转移到番茄红素，生成基态氧分子和三重态番茄红素分子(1O2+lycopene→3O2+3lycopene)，三重态的番茄红素(3lycopene)通过与溶剂的一系列旋光和振动反应得到再生。由此，一个番茄红素分子可以清除数千个单线态氧。类胡萝卜素的猝灭能力与它结合的双键的数量有关，番茄红素是猝灭单线态氧和清除过氧化氢等自由基能力最强的类胡萝卜素，抑制破坏单线态氧能力是β-胡萝卜素的2倍，有人认为这种增加的能力与它的另外2个没有结合的双键有关。番茄红素可以通过猝灭单线态氧预防脂类过氧化，保护生物膜免受自由基的损伤
