番茄红素的抗氧化作用主要体现在以下几个方面：
清除自由基
高效捕捉自由基：番茄红素具有独特的长链共轭双键分子结构，这种结构使其能够与自由基发生反应，通过提供氢原子，将自由基转化为较为稳定的产物，从而中断自由基的链式反应。例如，番茄红素可以迅速与单线态氧发生反应，将其淬灭为基态氧，减少单线态氧对细胞的损伤。
广谱清除多种自由基：番茄红素不仅能有效清除单线态氧，还对超氧阴离子、羟自由基、过氧化氢等多种活性氧自由基具有清除能力。这些自由基在体内代谢过程中会不断产生，若不及时清除，会攻击细胞内的各种生物大分子，如导致DNA链断裂、基因突变，使蛋白质变性、酶活性丧失，引起脂质过氧化，破坏细胞膜的完整性和功能等，而番茄红素可全面抵御这些自由基的危害。
抑制氧化反应
阻断脂质过氧化链式反应：在生物膜中，不饱和脂肪酸容易发生脂质过氧化反应，产生大量脂质自由基和过氧化产物，如丙二醛等，进一步引发细胞损伤。番茄红素能够插入到生物膜的磷脂双分子层中，定位在不饱和脂肪酸附近，优先与脂质自由基反应，生成相对稳定的番茄红素自由基，从而阻断脂质过氧化的链式反应，保护生物膜的结构和功能。
减少氧化应激产物生成：番茄红素可以通过调节细胞内的抗氧化酶系统，如超氧化物歧化酶（SOD）、谷胱甘肽过氧化物酶（GSH - Px）等的活性，增强细胞自身的抗氧化能力，使细胞在面对氧化应激时，能够更有效地清除自由基，减少氧化应激产物的生成，维持细胞内氧化还原平衡。
与其他抗氧化剂协同作用
与维生素C、E 协同增效：番茄红素与维生素 C、维生素E等其他抗氧化剂具有协同作用。维生素 C 可以将氧化型的番茄红素还原为还原型，使其恢复抗氧化活性；而番茄红素则可以保护维生素 E 不被氧化，延长其在体内的抗氧化作用时间。三者共同作用，能够更全面、更高效地清除自由基，增强抗氧化效果。
与类胡萝卜素家族协同抗氧化：在类胡萝卜素家族中，番茄红素与β-胡萝卜素、叶黄素等也存在协同抗氧化作用。它们在细胞内的不同部位发挥作用，可覆盖更广泛的光谱范围，吸收更多种类的自由基，共同维护细胞的抗氧化防御体系，增强机体的抗氧化能力。
保护生物大分子
保护 DNA：自由基攻击 DNA 可导致碱基损伤、DNA 链断裂等，进而引发基因突变、细胞癌变等严重后果。番茄红素通过清除自由基，减少自由基对 DNA 的直接攻击，还可以调节细胞内的 DNA 修复酶活性，促进受损 DNA 的修复，维持 DNA 的稳定性和完整性。
保护蛋白质：自由基可使蛋白质发生氧化修饰，导致其结构改变、功能丧失。番茄红素能够抑制自由基对蛋白质的氧化作用，防止蛋白质的羰基化、巯基氧化等修饰反应，维持蛋白质的正常结构和功能，保证细胞内各种代谢活动的正常进行。
保护脂质：如前文所述，番茄红素可通过阻断脂质过氧化链式反应，保护生物膜中的脂质成分，防止脂质过氧化产物对细胞造成损伤，维持细胞膜的流动性、通透性等正常功能，确保细胞内外物质交换和信号传递的正常进行。