Embora já Leonardo da Vinci tivesse reconhecido que o ar continha algo de essencial para a vida, o oxigénio foi descoberto como elemento apenas no século XVIII. Uma das principais concepções que foi necessário quebrar, e que dificultava a compreensão da química de gases, era a de que o ar era em si elementar – e não uma mistura de gases como é na realidade.
Entre 1771 e 1773, o farmacêutico sueco Karl Wilhelm Scheele obteve oxigénio aquecendo óxido de mercúrio (HgO) bem como nitratos. No entanto, foi apenas em 1775 que Scheele escreveu um relato das suas descobertas e apenas em 1777 estas vieram a ser publicadas.
Em 1774 o inglês Joseph Priestley obteve oxigénio focando raios de sol em óxido de mercúrio.
Por sua vez, o químico francês Antoine Lavoisier sustentou, no final de 1774, que tinha descoberto e produzido oxigénio de forma independente dos outros cientistas.
Sabe-se hoje, no entanto, que não só Scheele lhe tinha enviado uma carta a dar conta das suas descobertas, como também Priestley o visitou no Outono de 1774 relatando-lhe os seus feitos.
O que Lavoisier fez, e por isso se mantém hoje o seu nome tão associado à descoberta do oxigénio, foi enquadrar estas descobertas numa nova teoria.
Até aí, a teoria dominante para explicar os processos de combustão era a teoria do flogisto. Em termos simples, a teoria sustentava que um objecto ao arder libertava flogisto para o ar. O ar quando saturado de flogisto, por sua vez, impedia a combustão. Assim, o flogisto era uma espécie de oposto ao oxigénio; aliás, um dos seus descobridores, Joseph Priestley, designou-o mesmo como "ar deflogisticado". O que Lavoisier percebeu foi que o ar, ao invés de saturar com flogisto, perdia oxigénio até já não se poder sustentar a combustão que o estava a consumir.
Lavoisier supôs incorrectamente que o oxigénio era o principal constituinte de todos os ácidos, denominando-o com o nome actual, que em grego (oxygine) significa "produtor de ácidos".
O nome não foi imediatamente aceite na língua inglesa mas, em 1791, Erasmus Darwin publicou um poema intitulado "Oxygen" que acabou por consolidar o nome do elemento na língua inglesa.