Do odmian alotropowych tlenu zaliczamy O2 oraz O3.
Tlen występuje w postaci cząsteczek dwu- lub trójatomowych. Cząsteczka trójatomowa to ozon; jego trwałość jest stosunkowo mała. W temperaturze pokojowej ozon ulega rozpadowi na tlen dwuatomowy i jeden reaktywny atom tlenu. Tlen dwuatomowy jest bezbarwny, a ozon – niebieski. Tlen trójatomowy ma dziesięciokrotnie większą rozpuszczalność w wodzie niż tlen dwuatomowy.