导热油的主要化学组成为碳和氢，碳氢化合物与氧接触会发生氧化反应，生成氧化产物。导热油的化学成分及其与氧接触的条件，例如某种化学成分的氧化安定性和与氧接触时的温度等，决定了二者发生氧化反应的速率。几乎所有的导热油与空气或氧化剂接触都会发生氧化反应，在高温条件下会加快氧化速度。导热油的氧化安定性、与氧气接触的机会和反应温度影响氧化的速率和结果。
在操作温度高于60℃的情况下，导热油与空气中的氧气接触时会加快氧化反应的速率，使油品颜色变深、黏度增大，形成氧化降解产物（包括有机酸）和具有更高相对分子质量的缩聚产物,这些反应产物的热稳定性明显低于未被氧化的导热油，会进一步加剧导热油的裂解。
采用惰性气体覆盖的方法，例如采用氮气封闭，能够避免系统内使用的导热油被氧化，从而延长导热油的使用寿命。
