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Vue en coupe d'une étoile évoluée caractérisée par des coquilles concentriques de différents éléments. Tardivement dans la vie d'une étoile, l'oxygène 16 se concentre dans la coquille "O", l'oxygène 17 dans la coquille "H" et l'oxygène 18 dans la coquille "He".

La majorité de l'oxygène 16 est synthétisée à la fin du processus de fusion de l'hélium au sein d'étoiles massives mais une partie est aussi produite lors des réactions de fusion du néon34. L'oxygène 17 est principalement issu de la fusion de l'hydrogène en hélium au cours du cycle CNO. Il s'agit donc d'un isotope courant des zones de combustion de l'hydrogène des étoiles34. La majorité de l'oxygène 18 est produite quand l'azote 14 14N rendu abondant par le cycle CNO capture un noyau d'hélium 4 4He. L'oxygène 18 est donc couramment présent dans les zones riches en hélium des étoiles massives évoluées34.

C'est, en masse, le troisième élément le plus abondant de l'Univers après l'hydrogène et l'hélium, et le plus abondant des éléments de l'écorce terrestre ; l'oxygène constitue ainsi sur Terre :

86 % de la masse des océans, sous la forme d'eau ;
46,4 % de la masse de l'écorce terrestre, en particulier sous forme d'oxydes et de silicates ;
23,1 % de la masse de l'air, sous forme de dioxygène ou d'ozone, soit 1,2×1015 tonnes, soit près de 21 % du volume total de l'atmosphère ;
62,5 % de la masse du corps humain ;
jusqu'à 88 % de la masse de certains animaux marins.

Dans son état triplet normal, la molécule de dioxygène est paramagnétique, c'est-à-dire qu'elle acquiert une aimantation sous l'effet d'un champ magnétique. Cela est dû au moment magnétique de spin des électrons non appariés de la molécule ainsi qu'à l'interaction d'échange négative entre les molécules voisines de O2