研究表明茶多酚能消除O-2 、-OH、LOO-、-NO、ONOO-等多种无机和有机自由基，其能力大于维生素E、维生素C、BHT等抗氧化剂。其中EGCG、EGC的抗氧化性最大，并且茶多酚的聚合物，如茶黄素（TF）、茶黄素没食子酸（TF3-G）也有相当强的抗氧化活性。茶多酚抗氧化性还能与多种氨基酸以及维生素C、维生素E有协同作用，一起使用有更好的抗氧化效果。

茶多酚的特殊结构使其还有络合金属离子的作用。一些过渡金属离子，如铁离子、铜离子等，对自由基引起的脂质过氧化的连锁反应起催化作用。试验表明茶多酚能通过多种络合金属离子来阻止其催化作用，从而有效地切断连锁反应。其络合能力的大小为EGC?ECG=EGCG?EC。

生物体内有许多氧化酶，如黄嘌呤氧化酶系、P-450酶系、脂氧化酶、环氧酶等，会催化体内自由基的生成，茶多酚对这些氧化酶均有抑制作用。