导热油属于烃类有机物，与空气或具有氧化作用的物质接触时会发生氧化反应，生成有机酸，有机酸的存在又会进一步加速导热油的聚合和裂解反应。例如，导热油遇氧气在高温下发生化学反应，变成过氧化物，然后再进一步反应，一部分生产大分子如胶质等，另一部分进行分解产生醛、酮、醇、酸，再深度氧化生成CO2、CO、H2O等。导热油由于在高温下运行，氧化速度也大大增加，最终使导热油粘度和酸值增加，更加剧导热油的劣化。
导热油氧化的主要表现为酸值升高，使导热油密度和残炭增加，闪点降低，油的颜色逐渐变深，致使导热油提前报废。另外，导热油系统在开车时没有很好的进行脱水处理，也会导致水分在系统中与导热油发生氧化反应。氧化形成的有机酸还会对系统设备造成腐蚀，严重影响导热油系统的安全运行。
导热油在60℃以下氧化非常缓慢，60℃以上氧化反应速度逐渐加快，温度每升高10℃氧化速率约增加一倍。油温越高，与空气或具有氧化作用的物质接触机会越多、时间越长，氧化速度会越快。酸值大小还可以判断导热油被氧化的难易程度和严重程度。因此，导热油的氧化被视为超温之后的又一大劣化元凶之一。