Dentro de la fase I o fase de preparación del tóxico para su conjugación posterior, la reacción más importante, sobre todo desde el punto de vista cuantitativo, la constituye la oxidación que tiene lugar en los microsomas hepáticos. Existen otros sistemas de oxidación no microsomales, que son minoritarios, pero que pueden tener importancia toxicológica, entre ellos el de la alcohol deshidrogenasa, aldehído deshidrogenasa, monoamino-oxidasa o xantino-oxidasa.
El sistema monooxigenasa está formado por 3 componentes fundamentales:
- un enzima: la NADPH-Cit P450 "Reductasa"; es una flavoproteína (es decir, su grupo prostético es el FAD).
- una hemoproteína que actúa como transportador de electrones (el CYP450).
- un coenzima: el NADPH.

El sistema funciona incorporando una molécula de oxígeno a la molécula del tóxico dando origen a grupos OH (hidroxilación).

Tóxico+O₂+NADPH+H⁺ --> Toxico oxidado+NADP+H₂O

Además de la hidroxilación existen otras reacciones de oxidación:
- desalquilaciones: la molécula del tóxico pierde un grupo alquílico de una cadena carbonada
- desulfuraciones: pérdida de un átomo de azufre que es sustituído por un átomo de oxigeno
- sulfo-oxidación: unión de un átomo de oxigeno y un átomo de azufre
- epoxidación: adición de un átomo de oxigeno a un doble enlace. Es uno de los mecanismos que determinan la toxicidad del benceno.