沥青的老化主要发生在与外部环境接触的过程中，主要因素是氧和温度。在生产到投入使用过程中，沥青就开始发生不同程度的热氧老化反应，目前普遍认为热氧老化可分为三个阶段：第一阶段是生产后的运输和储存环节，该阶段沥青与空气的接触面积很小，热氧老化并不严重；第二阶段是沥青和集料的拌合及摊铺、碾压过程，该过程中拌合沥青温度将达170°C左右，性能指标会剧烈降低并产生严重的热氧老化反应，该阶段是热氧老化的主要阶段；第三阶段是沥青路面铺筑完成后，路面在温度变化、紫外线照射等因素的影响下发生的老化反应，也是老化的主要过程。对于沥青的热氧老化机理方面，大量研究借助对沥青热氧老化前后的结构进行表征和分析，从而推测出沥青的热氧老化机理。沥青分子在热和氧的作用下生成游离自由基，游离自由基可与氧分子结合，生成过氧化游离自由基，过氧化游离自由基，进一步与沥青分子反应，即生成氢过氧化物。随着自由基反应的进行，沥青分子不断被氧化，同时生成更多的氧过氧化物，氢过氧化物在不断生成的同时，也会发生歧化反应，从而形成新的游离自由基。这些新生成的游离自由基又会引发沥青分子发生进一步的化学反应，由于歧化作用，游离基还可能发生断链反应，同时氧过氧化物发生分解反应，沥青分子中的双键也会参与氧化反应。此可见，沥青分子老化后生成了大量含有羰基官能团的物质，随着反应进行到一定程度，游离自由基就会发生终止反应，意味着沥青的老化过程减缓或停止。