脳はその高い代謝率と高濃度の多価不飽和脂肪のために酸化的損傷に非常に弱く、抗酸化物質は脳損傷治療の薬剤として広く使われている。スーパーオキシドジスムターゼ模倣薬としては、チオペンタールとプロポフォールが脳虚血疾患の後遺症である再かん流傷害や外傷性脳損傷に、実験的薬剤としてはジスフェントン (NXY-059)とエブセレンが脳卒中の治療に応用されている。これらの化合物は、ニューロンの酸化ストレス、アポトーシスおよび神経損傷を予防しているように見える。また、抗酸化物質は、アルツハイマー型認知症、パーキンソン病、筋萎縮性側索硬化症のような神経変性の病気の治療、音響性外傷の予防についての研究がなされている。
血中の酸化型LDLコレステロールは心臓疾患の原因になると考えられ、また、1980年代アメリカを対象とした疫学研究からビタミンE の摂取により心臓疾患の発現のリスクを下げることが分かっていた。これに対し、1日に 50 から 600mg のビタミンE を摂取させ、その効果を調査する大規模な治験が少なくとも7回行われたが、死亡総数および心臓疾患による死亡率ともにビタミンE の影響は見られなく、その他の研究でもまた結果は同様で、これらの試験または多くの栄養補助食品の使用が酸化ストレスによる疾患の予防になっているかどうかは明確ではない。総合的に、心臓血管疾患には酸化ストレスが関わっているにもかかわらず、抗酸化ビタミンを使った試験では心疾患発現リスクおよび既に発現した疾患の進行を抑える効果は認められなかった。
酸化ストレスはアルツハイマー型認知症、パーキンソン病、糖尿病合併症、関節リウマチ、運動ニューロン病による神経変性など広範囲の病気の進行に寄与していると考えられている。これらの多くの場合において、酸化物質が病気の要因になっているのか、それとも病気と一般的な組織の損傷から二次的に酸化物質が作り出されているのか、不明確である。しかし、心血管疾患については酸化ストレスが関連していることがよく分かっている。低比重リポタンパク質（LDLコレステロール）の酸化がアテロームの発生を誘発し、それがアテローム性動脈硬化症となり、最終的には心臓血管の疾患に繋がるのである。またフリーラジカルと DNA損傷の関連より、癌に対する抗酸化物の予防効果についても研究されている。
カラメル化は、糖類が引き起こす酸化反応などにより褐色物質を生成する現象であり、カラメルができるメカニズムはまだ完全に解明されてはいないが、グルコース、ショ糖などが加熱されることで生じるフラン化合物が重合して生じる、フラン・ポリマーの構造を取るのではないかという仮説が提唱されている。カラメル化と同様に加熱によって褐色色素が生じる反応には、他にメイラード反応があるが、これはアミノ酸と還元糖の両者を必要とするものであり、カラメル化とは異なる反応である。カラメルは、メイラード反応のメラノイジンほどではないが、抗酸化作用を有する。一般に、色が濃いほど抗酸化作用が強く、窒素含有量の多いものほど抗酸化作用が強くなる。
佐賀市に生まれ、1歳の時に、医師で、またハンターでもあった戸川益勇の養子となる。10歳までは福岡県若松市及び八幡市(いずれも現・北九州市)で育つ。幼少から動物好きで、動物学者になることを志し、動物に関する本を耽読した。父の仕事の都合で東京に移り、私立高千穂中学を卒業。東北大学古生物学科を目指して、旧制山形高等学校に入学、この頃に独自に山犬について調査、その後健康を害して中退。1937年に東京日日新聞（現・毎日新聞）に入社し社会部記者となり、中国特派員、海軍報道班員として各地に従軍する。報道班員当時、大西瀧治郎に「特攻によって日本はアメリカに勝てるのですか」と問うと「勝てないまでも負けないということだ」という返答があったというエピソードがある。戦後はサン写真新聞社に出向、その後東京日日新聞社会部長、毎日グラフ編集次長を務める。1953年に長谷川伸の主催する新鷹会に参加し小説執筆を学び、翌1954年にかつて飼育していた高安犬との交流を描いた動物小説「高安犬物語」で直木賞を受賞、わが国初の本格的な動物文学と呼ばれた。次いで新聞社を退職して作家生活に入り、動物に関する深い造詣と取材による『牙王物語』（1956年）、『諸国猟人伝』（1959年）、『動物風土記』（1961年）などを発表する。他に軍記もの、社会小説、時代小説、記録文学、児童文学などの作品を執筆。1961年にオーストリアのパウル・ネフ社の動物短編アンソロジーに、鷹と鷹匠を描く「爪王」が収録された。1962年『子どものための動物物語』で、サンケイ児童出版文化賞を受賞。また実地調査に基づくノンフィクションとして『野性への旅』（1961-66年）、『すばらしい動物の世界』（1972年）なども刊行。1965年3月、本土復帰前の沖縄でイリオモテヤマネコの標本を入手。イリオモテヤマネコ発見のきっかけとなった。1977年『戸川幸夫動物文学全集』で「日本文学に動物文学という新しいジャンルを開き、独自の高峰をうちたてた」として芸術選奨文部大臣賞受賞。1980年紫綬褒章受章。1986年勲三等瑞宝章を受章。また日本動物愛護協会、世界野生生物保護基金日本委員会、エルザ自然保護の会、サバンナ・クラブ（東アフリカ友の会）の役員を勤めた。次女戸川久美は特定非営利活動法人トラ・ゾウ保護基金（JTEF）理事長、野生のトラ、アジアゾウ、アフリカゾウ、イリオモテヤマネコを保護する活動を行っている。従弟に多岐川恭がいる。1971年、戸川の弟子の平岩弓枝が脚本を担当していた「肝っ玉かあさん・第3シリーズ」にゲスト出演（本人を思わせる戸並先生役で特別出演）。1978年9月、「牙王物語」が「大雪山の勇者 牙王」という名でアニメ化され、フジテレビ系で放送された。