A Dra. Marie Heaton é uma anestesiologista no auge da profissão. Ela estudou, viveu e respirou para a carreira médica desde a faculdade e agora trabalha num hospital de primeira linha em Seattle. Marie construiu e restringiu cuidadosamente sua vida aos parâmetros empíricos da ciência e da arte da medicina. Mas quando sua fórmula testada e aprovada deixa-a na mão durante um procedimento de rotina, ela é forçada a explicar o pesadelo ocorrido na sala de cirurgia e arcar com um processo de erro médico. O melhor amigo de Marie, Dr. Joe Hillary, torna-se seu confidente mais próximo, enquanto ela encara depoimentos, acusações, preocupações e remorsos em relação à mãe da paciente em questão.

Lutando para salvar sua carreira e reputação, Marie precisa encarar duras verdades: o caminho que escolheu para si, as pontes que destruiu e os colegas e superiores a quem ela, descuidadamente, tomou por amigos.

Uma crise silenciosa desperta ao mesmo tempo em sua família. O pai de Marie, já idoso, está perdendo a vista e começa a desenvolver uma estranha dependência da protagonista e de sua irmã, Lori. Porém, Lori trilhou um caminho mais tradicional e está ocupada cuidando de sua própria família. Embora Marie tenha se afastado de suas raízes no Texas por décadas, a responsabilidade final pelos cuidados de seu pai recai sobre ela.

Com sua vida cuidadosamente estruturada entrando em colapso, Marie confronta questões de amor, traição e laços familiares e paga um alto preço pelas escolhas feitas. Tendo o esplendor natural de Seattle e o claustro das salas de cirurgia como cenário, Oxigênio tem seu clímax em uma virada final emocionante e redentora.