在正常状态下，气体分子及原子内的正负电荷相等，呈现中性，但在宇宙射线、太阳光线等所产生的能量的作用下，气体分子中某些原子会成为电子，而失去这些电子的原子呈正电极性，这个过程称为“空气的电离”。那部分被分离出来的电子又会与空气中其他中性分子结合，使得到多余电子的气体分子呈负电极性，就叫做空气负离子。
空气负离子还有降低血压的治疗作用，吸入高浓度的负离子后，可使周围毛细血管扩张并因而使皮肤温度上升。另外，空气离子对机体的碳水化合物、蛋白质、脂肪代谢及水、电解质代谢都有一定的影响，如吸入负离子可降低血糖及胆固醇、血钾等含量，增加尿量及尿中氮、肌酐等的排出量。
自然界中的叶枝尖端放电及绿色植物光合作用形成的光电效应，也能产生空气负氧离子。