一重項酸素は、酸素分子の分子軌道のπ*軌道（反結合性のπ軌道）に入った２個の電子のスピンの向きが異なる一重項状態、すなわち、全スピン量子数が０である励起状態で、1O2で表される。このような励起状態には、２つ存在するπ*軌道のそれぞれに１つずつ異なる向きの電子が占有しているΣ1状態と、π*軌道の一方のみを２つの電子が占有しているΔ1状態が存在する。Δ1状態よりΣ1状態の方がエネルギーが高いため、Σ1状態は速やかにΔ1状態に遷移する。このため一重項酸素といえば通常Δ1状態のものを指す。一重項酸素（Δ1）は活性酸素の一種ではあるが、軌道上に単独の電子を持たず、フリーラジカルではない。