芬顿氧化法是在酸性条件下，H2O2在Fe2+存在下生成强氧化能力的羟基自由基(·OH)，并引发更多的其他活性氧，以实现对有机物的降解，其氧化过程为链式反应。其中以·OH产生为链的开始，而其他活性氧和反应中间体构成了链的节点，各活性氧被消耗，反应链终止。芬顿试剂中发生的化学反应：
Fe2+ + H2O2 → Fe3++ OH- + OH· ①
化学式中，1mol的H2O2与1mol的Fe2+反应后生成1mol的Fe3+，同时伴随生成1mol的OH-外加1mol的羟基自由基。正是羟基自由基的存在，使得芬顿试剂具有强的氧化能力。据计算在pH=4的溶液中，·OH自由基的氧化电势高达2.73V。在自然界中，氧化能力在溶液中仅次于氟气。因此，持久性有机物，特别是通常的试剂难以氧化的芳香类化合物及一些杂环类化合物，在芬顿试剂面前全部被无选择氧化降解掉。
H2O2 + Fe2+ → Fe3+ + O2·+ 2H+ ②
O2 + Fe2+ → Fe3+ + O2· ③
从化学反应式中可以看出，芬顿试剂中除了产生1mol的OH·自由基外，还伴随着生成1mol的过氧自由基O2·，但是过氧自由基的氧化电势只有1.3V左右，所以，在芬顿试剂中起主要氧化作用的是OH·自由基。
