Le thé est une boisson riche en flavonoïdes : catéchines pour le thé vert ou catéchines et leurs produits d'oxydation (théaflavines...) pour le thé noir. De nombreuses études in vitro ont montré que les flavonoïdes sont capables de piéger les principales espèces réactives de l'oxygène associées au stress oxydant chez l'homme : radical anion superoxyde, radical hydroxyle, radicaux peroxyles et oxygène singulet. Les flavonoïdes du thé inhibent l'oxydation de LDL isolées, induite par le cuivre ou la métmyoglobine et pourraient prévenir ainsi l'athérosclérose. L'activité antioxydante des catéchines et théaflavines dans ces modèles est souvent plus élevée que celle des vitamines antioxydantes C et E, en phase aqueuse ou organique. L'épigallocatéchine gallate est en général la catéchine du thé la plus active.

Les preuves de l'activité antioxydante in vivo des flavonoïdes du thé sont moins bien établies. Chez la souris ou le rat, la consommation de thé protège les acides nucléiques et les lipides contre l'oxydation induite par différents stress tels que les rayons g, substances cancérigènes ou manipulations diététiques. Chez l'homme, la consommation de thé augmente la capacité antioxydante du plasma et semble diminuer l'oxydabilité ex vivo des LDL. Quelques études cliniques montrent également que la consommation de thé diminue les dommages nucléaires induits par le tabagisme sur les leucocytes. D'autres études, notamment sur la biodisponibilité des flavonoïdes du thé, restent nécessaires afin d'apporter des preuves de leurs effets antioxydants protecteurs chez l'homme.