Atomi se kombiniraju davanjem i prihvaćanjem negativno nabijenih elektrona, tvoreći ionsku vezu ili dijeleći elektrone, tvoreći kovalentnu vezu. Tipično, ionske veze nastaju između metala i nemetala, dok se kovalentne veze stvaraju samo između nemetala. Oksidacijski broj atoma predstavlja broj elektrona koje je dao, prihvatio ili podijelio s drugim atomima, i bit će pozitivan kada izgubi ili dijeli elektrone i negativan kada dobije ili podijeli elektrone drugog atoma.
Izvorno, oksidacija je značila spajanje s kisikom; suprotan proces, uklanjanje kisika, bio je poznat kao redukcija. Na primjer, kada se kalcij kombinira s kisikom, kisik uklanja dva elektrona iz kalcija, stječući naboj od -2, ostavljajući kalcij s nabojem od +2. Nastala je ionska veza; kalcij je oksidiran, a kisik reduciran, što im daje oksidacijske brojeve od +2 i -2, respektivno. Kovalentna veza također uključuje oksidaciju i redukciju: da bi se formirala voda, dva atoma vodika spajaju se s jednim atomom kisika, a svaki s njim dijeli elektron. Oksidacijski brojevi dvaju vodikova atoma su svaki +1, a atom kisika -2.
Oksidacija ne mora uključivati kisik; danas, oksidacija jednostavno znači gubitak elektrona i redukciju, dobivanje elektrona. U pravilu, elementi prema donjem lijevom kutu periodnog sustava imaju najveću tendenciju gubitka elektrona, dok oni prema gornjem desnom kutu imaju najveću tendenciju dobivanja elektrona. Kisik ima jaku tendenciju uklanjanja elektrona iz drugih elemenata i stoga je oksidacijsko sredstvo; međutim, drugi elementi također mogu oksidirati. Na primjer, fluor je još jače oksidacijsko sredstvo.
Oksidacijski broj kisika obično je -2, ali mnogi elementi mogu imati više od jednog mogućeg oksidacijskog broja. Za željezo može biti +2 ili +3, dok je za vodik +1 u kombinaciji s nemetalima, kao u vodi (H2O), ali -1 u kombinaciji s metalima, kao u natrijevom hidridu (Na+H-) , gdje prihvaća elektron. Oksidacijski broj dušika može varirati od -3 do +5. Oksidacijski brojevi iona u ionskom spoju jednaki su nabojima na ionima, dok zbroj atoma u spoju uvijek iznosi nulu.
Elementi se mogu kombinirati u ione koji imaju ukupni oksidacijski broj. Na primjer, atom sumpora može se kombinirati s četiri atoma kisika i formirati sulfatnu skupinu (SO42-) s oksidacijskim brojem -2. Amonijak, spoj dušika i vodika formule NH3, može se kombinirati s dodatnim atomom vodika da nastane amonijeva skupina NH4+, s oksidacijskim brojem +1. Ponaša se poput metala i stvara ionske spojeve kao što je amonijev sulfat ((NH4+)2SO42-), gdje se dvije amonijeve skupine kombiniraju s jednom sulfatnom grupom.