1 sierpnia 1774 angielski chemik Priestley po raz pierwszy otrzymał tlen, ogrzewając czerwony proszek znany obecnie pod nazwą tlenku rtęci. Nazwał otrzymany gaz powietrzem deflogistonowanym. Priestley stwierdził, że jego powietrze deflogistonowane jest cięższe od powietrza zwykłego i podtrzymuje palenie. Od 1775 głosił nowy pogląd na skład i rolę powietrza.
Priestley uczył odtąd, że powietrze deflogistonowane występuje w zwykłym powietrzu jako normalny jego składnik, powietrze zwykle nie jest więc jednym pierwiastkiem, lecz mieszaniną dwóch gazów. Jeden z nich – to właśnie jego powietrze deflogistonowane; bierze ono czynny udział we wszelkich procesach oddychania spalania itd., drugi – nie podtrzymuje tych procesów, zachowuje się wobec nich zupełnie biernie. Pierwszy składnik jest nieco cięższy, drugi – nazwany przez Priestleya powietrzem flogistonowanym (azot) – nieco od niego lżejsze.
Odkrycie to po raz pierwszy publicznie ogłosił Priestley w Royal Society dnia 23 marca 1775.
Prawie jednocześnie dwaj inni wybitni chemicy: Scheele i Lavoisier doszli do podobnych wniosków. Lecz ani Priestley ani Scheele nie uznawali tlenu za pierwiastek chemiczny, nie mogli tego uczynić, gdyż byli gorącymi zwolennikami teorii flogistonowej i pozostali nimi do końca swego życia. Nowo odkryty gaz uważali za związek chemiczny.
Lavoisier pierwszy uznał tlen za pierwiastek i dzięki temu położył wielkie zasługi dla rozwoju chemii. Popełnił niestety dwa błędy: po pierwsze, głosił, że tlen się pali, po drugie, twierdził, że tlen jest istotnym składnikiem wszystkich kwasów, że nie ma kwasu bez tlenu. Właśnie ze względu na to nazwał nowy pierwiastek w 1787 Oxygenium; w języku francuskim oxygène znaczy „tworzący kwasy”.
W następnych latach stwierdzono, że tlen jest pierwiastkiem ogromnie rozpowszechnionym w przyrodzie martwej i żywej. Tlen znaleziono we wszystkich zasadach i w przeważającej liczbie kwasów i soli oraz w wielu związkach organicznych. Obecnie wiadomo, że tlen jest najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem na Ziemi, stanowi 49,4% masy jej skorupy.
Następnym etapem historycznym było skroplenie tlenu. Uczynili to dnia 16 IV 1883 dwaj polscy uczeni: Wróblewski i Olszewski w Krakowie.
Obliczenia wykazują, że w całej skorupie ziemskiej jest więcej atomów samego tlenu niż atomów wszystkich innych pierwiastków razem wziętych. Przeciętnie wśród 1000 atomów skorupy ziemskiej są 533 atomy samego tlenu, a tylko 467 atomów przypada na wszystkie pozostałe pierwiastki łącznie.