تشير دورة الأكسجين إلى التحركات المختلفة لعنصر الأكسجين عبر الغلاف الجوي (الهواء)، والمحيط الحيوي (النباتات والحيوانات)، والغلاف المائي (المسطحات المائية والأنهار الجليدية)، والغلاف الصخري (قشرة الأرض). تُظهر دورة الأكسجين كيفية إنتاج الأكسجين الحر وتوفّره في كل من هذه المناطق، وكذلك كيفية استخدامه. وتُعد هذه الدورة من الدورات الجيوكيميائية الحيوية، حيث تنتقل ذرات الأكسجين بين حالات الأكسدة المختلفة في الأيونات والأكاسيد والجزيئات، من خلال تفاعلات الأكسدة والاختزال داخل وبين خزانات أو أوساط كوكب الأرض.
غالبًا ما يُقصد بالأكسجين في الأدبيات العلمية الشكل الأكثر شيوعًا له، وهو الأكسجين الجزيئي أو الثنائي (O₂)، نظرًا لأنه ناتج أو مادة متفاعلة شائعة في العديد من تفاعلات الأكسدة والاختزال الجيوكيميائية الحيوية في هذه الدورة. وتُصنَّف العمليات في دورة الأكسجين على أنها إما بيولوجية أو جيولوجية، وتُقيَّم وفقًا لما إذا كانت تُنتج الأكسجين (مصدر) أو تستهلكه (مصرف).
الأكسجين هو أحد أكثر العناصر وفرة على الأرض، ويمثل نسبة كبيرة من كل خزان من خزاناته الرئيسية. ويُعد الغلاف الصخري (قشرة الأرض والوشاح) أكبر خزان للأكسجين بفارق كبير، إذ يحتوي على نحو 99.5٪ من كتلة الأكسجين الموجودة على الكوكب، وذلك في صورة معادن السيليكات والأكاسيد. أما الغلاف الجوي والغلاف المائي والمحيط الحيوي مجتمعين، فيحتوون على أقل من 0.05٪ من إجمالي كتلة الأكسجين على الأرض. وإلى جانب الأكسجين الجزيئي (O₂)، يوجد الأكسجين أيضًا في عدة مركبات موزعة في خزانات سطح الأرض، مثل الماء (H₂O)، وثاني أكسيد الكربون (CO₂)، وحمض النتريك (HNO₃)، وأكاسيد النيتروجين (NO وNO₂)، أحادي أكسيد الكربون (CO)، وبيروكسيد الهيدروجين (H₂O₂)، والأوزون (O₃)، وثاني أكسيد الكبريت (SO₂)، وحمض الكبريتيك (H₂SO₄)، وأكاسيد المغنيسيوم والكالسيوم والألمنيوم والسيليكون (MgO, CaO, Al₂O₃, SiO₂)، وفوسفات PO₄³⁻.