Atome verbinden sich durch die Abgabe und Aufnahme von negativ geladenen Elektronen, bilden eine ionische Bindung oder teilen sich Elektronen und bilden eine kovalente Bindung. Typischerweise bilden sich ionische Bindungen zwischen Metallen und Nichtmetallen, während sich kovalente Bindungen nur zwischen Nichtmetallen bilden. Die Oxidationszahl eines Atoms stellt die Anzahl der Elektronen dar, die es anderen Atomen gegeben, akzeptiert oder mit ihnen geteilt hat, und ist positiv, wenn es Elektronen verloren oder geteilt hat, und negativ, wenn es Elektronen eines anderen Atoms gewonnen oder geteilt hat.
Ursprünglich bedeutete Oxidation, sich mit Sauerstoff zu verbinden; der gegenteilige Vorgang, die Entfernung von Sauerstoff, wurde als Reduktion bezeichnet. Wenn sich beispielsweise Kalzium mit Sauerstoff verbindet, entfernt der Sauerstoff zwei Elektronen aus dem Kalzium und nimmt eine Ladung von -2 an, so dass das Kalzium mit einer Ladung von +2 zurückbleibt. Es hat sich eine Ionenbindung gebildet; Calcium wurde oxidiert und Sauerstoff reduziert, was ihnen Oxidationszahlen von +2 bzw. -2 verleiht. Zur kovalenten Bindung gehören auch Oxidation und Reduktion: Um Wasser zu bilden, verbinden sich zwei Wasserstoffatome mit einem Sauerstoffatom und teilen sich damit jeweils ein Elektron. Die Oxidationszahlen der beiden Wasserstoffatome sind jeweils +1 und das Sauerstoffatom -2.
Die Oxidation braucht keinen Sauerstoff einzubeziehen; Oxidation bedeutet heute einfach Elektronenverlust und Reduktion, Elektronenaufnahme. In der Regel haben die Elemente in der linken unteren Ecke des Periodensystems die größte Tendenz, Elektronen zu verlieren, während diejenigen in der oberen rechten Ecke die größte Tendenz haben, Elektronen aufzunehmen. Sauerstoff hat eine starke Tendenz, Elektronen aus anderen Elementen zu entfernen und ist daher ein Oxidationsmittel; jedoch können auch andere Elemente oxidieren. Fluor beispielsweise ist ein noch stärkeres Oxidationsmittel.
Die Sauerstoffoxidationszahl beträgt normalerweise -2, aber viele Elemente können mehr als eine mögliche Oxidationszahl aufweisen. Für Eisen kann es +2 oder +3 sein, während es für Wasserstoff +1 in Verbindung mit Nichtmetallen ist, wie in Wasser (H2O), aber -1 in Verbindung mit Metallen, wie in Natriumhydrid (Na+H-) , wo es ein Elektron aufnimmt. Die Stickstoffoxidationszahl kann von -3 bis +5 variieren. Die Oxidationszahlen der Ionen einer ionischen Verbindung entsprechen den Ladungen der Ionen, während sich die der Atome einer Verbindung immer zu Null addieren.
Elemente können sich zu Ionen verbinden, die eine Gesamtoxidationszahl aufweisen. Beispielsweise kann sich ein Schwefelatom mit vier Sauerstoffatomen zu einer Sulfatgruppe (SO42-) mit einer Oxidationszahl von -2 verbinden. Ammoniak, eine Verbindung aus Stickstoff und Wasserstoff mit der Formel NH3, kann sich mit einem zusätzlichen Wasserstoffatom zur Ammoniumgruppe NH4+ mit der Oxidationszahl +1 verbinden. Dieses verhält sich wie ein Metall und bildet ionische Verbindungen wie Ammoniumsulfat ((NH4+)2SO42-), wobei sich zwei Ammoniumgruppen mit einer Sulfatgruppe verbinden.