El antioxidante ideal será aquel que mitigue el exceso de estrés oxidativo sin alterar la homeostasis redox. En otras palabras, la molécula ideal no debe reducir moléculas de señalización como el H₂O₂ pero debe reducir efectivamente oxidantes fuertes como el ^•OH.

Debido a que la molécula de hidrógeno es electrónicamente neutra y mucho más pequeña que la molécula de oxígeno, penetra fácilmente por las membranas celulares e intracelulares que normalmente son barreras que impiden que los antioxidantes solubles en agua penetren en las células y orgánulos tales como la mitocondria, fuente importante de producción de ROS.

El hidrógeno inactiva selectivamente los radicales hidroxilo (^•OH) mediante la formación de agua, pero no reacciona con •O₂- ni con peróxido de hidrógeno H₂O₂. En cultivos celulares, el hidrógeno ha demostrado prevenir la oxidación del ADN y preservar el potencial de membrana mitocondrial y la síntesis de ATP, manteniendo la morfología celular.

La capacidad selectiva del hidrógeno para neutralizar los radicales hidroxilo (^•OH), permite que pueda ejercer sus efectos citoprotectores de varias maneras.

• En primer lugar, el hidrógeno protege a las células al reducir el daño oxidativo al ADN, lípidos y proteínas.
• Además, el hidrógeno (i) tiene un efecto antiapoptótico; (ii) inhibe mediadores inflamatorios; (iii) aumenta la actividad enzimática antioxidante endógena; (iv) regula a la baja la activación de ciertas vías de señalización inflamatorias; y (v) estimula la proliferación celular.

Estudios recientes han demostrado que los efectos del hidrógeno no pueden atribuirse únicamente a la eliminación de los radicales ^•OH, y se ha propuesto que el hidrógeno también mejora la actividad antioxidante endógena, aumentando la capacidad de neutralizar radicales libres, y modulando vías de señalización específicas.