二是熱氧化安定性，是薄層潤滑油（油層厚度小于200μm）在高溫下空氣中氧的作用下抵抗氧化的能力。例如在內燃機的活塞與氣缸之間工作的潤滑油、在蒸氣透平的軸瓦之間的潤滑油都是屬于這種情況。此時潤滑油的工作溫度較高（200-300°C），金屬對潤滑油的催化氧化作用也較強。氧化結果會生成一層粘附性很強的膠膜，覆蓋在金屬機件上，使磨損增加，功率降低、熱傳導困難，嚴重時會導致機件燒毀。

潤滑油在儲存和使用過程中，受到光照或受熱，在空氣中的氧以及金屬的催化作用下，發生氧化變質，使顏色變深，粘度增大，生產酸性化合物、膠質和沉渣。由許多不同結構的烴類混合組成的潤滑油，其氧化過程是十分復雜的。因為潤滑油的組成成分不同。屬于酸性氧化產物的有羥酸、酚等，深度氧化還會生成低分子酸，這些產物會使酸值增大，生成的酸性物質會腐蝕金屬機件。但有時氧化僅能形成少部分酸性物質，大部分則形成中性產物。