水自由基，通常指水分子在特定條件下發生電離和激發後產生的自由基，包括羥自由基（OH-）和水合電子（e-aq）。這些自由基在生物學上具有重要影響，因為它們能夠引起生物分子的損傷。羥自由基（OH-）是一種氧化性極強的自由基，其放射化學產額高，擴散係數快，能夠攻擊生物分子中的特定位置，如多酚類化合物的鄰-二羥基位置。水合電子（e-aq）是一種還原性自由基，其擴散速度比OH-快，與生物分子的反應能力強。在有氧條件下，e-aq易被氧捕獲形成超氧陰離子，後者與生物分子的反應速率相對較低。
水自由基的形成可能與多種因素有關，包括環境污染（如空氣污染、紫外線過度照射）、不良的醫療行為（如過度使用藥物、放射或化學藥物治療、X光照射）、營養吸收不完全以及老化導致的酵素減少等。