燃焼用雰囲気ガスにエアーではなく酸素ガスを用いるプロセスのこと。
製鋼プロセスである高炉や転炉、電炉への酸素吹き込み、非鉄精錬、キューポラ炉、アルミ溶解炉といった金属製造、ガラス溶融、ごみ溶融炉などでも酸素燃焼が行われている。燃焼温度をエアー吹き込みに比べ高められることと、窒素分がないことからNOx（窒素酸化物）の生成を抑え、燃料削減効果もある。
炭化水素燃料の消費を抑えられることから、CO2排出削減技術としても注目されている。
エアーに酸素分を数％添加するものを酸素富化燃焼と呼び、酸素雰囲気のみで燃焼を行うものを純酸素燃焼と言い分けている。