導熱油屬于烴類有機物，與空氣或具有氧化作用的物質接觸時會發生氧化反應，生成有機酸，有機酸的存在又會進一步加速導熱油的聚合和裂解反應。例如，導熱油遇氧氣在高溫下發生化學反應，變成過氧化物，然后再進一步反應，一部分生產大分子如膠質等，另一部分進行分解產生醛、酮、醇、酸，再深度氧化生成CO2、CO、H2O等。導熱油由于在高溫下運行，氧化速度也大大增加，最終使導熱油粘度和酸值增加，更加劇導熱油的劣化。
導熱油氧化的主要表現為酸值升高，使導熱油密度和殘炭增加，閃點降低，油的顏色逐漸變深，致使導熱油提前報廢。另外，導熱油系統在開車時沒有很好的進行脫水處理，也會導致水分在系統中與導熱油發生氧化反應。氧化形成的有機酸還會對系統設備造成腐蝕，嚴重影響導熱油系統的安全運行。
導熱油在60℃以下氧化非常緩慢，60℃以上氧化反應速度逐漸加快，溫度每升高10℃氧化速率約增加一倍。油溫越高，與空氣或具有氧化作用的物質接觸機會越多、時間越長，氧化速度會越快。酸值大小還可以判斷導熱油被氧化的難易程度和嚴重程度。因此，導熱油的氧化被視為超溫之后的又一大劣化元兇之一。