空气氧化法是利用空气中的氧在一定条件下将铈氧化为四价的一种氧化方法。此方法通常是在空气中焙烧氟碳铈矿精矿、稀土草酸盐以及碳酸盐（称为焙烧氧化）或烘烤稀土氢氧化物（干法空气氧化）或将空气通入稀土氢氧化物浆料中（湿法空气氧化）进行氧化。
一、焙烧氧化
将氟碳铈精矿在500℃下空气中焙烧或将白云鄂博稀土精矿加碳酸钠在600～700℃下空气中焙烧，稀土矿物在分解的同时，矿物中的铈被氧化为四价。从焙烧产物中分离铈的方法有稀土硫酸复盐法、溶剂萃取法等。
除稀土精矿氧化焙烧外，草酸稀土、碳酸稀土等盐在空气气氛下进行焙烧分解，铈被氧化为CeO2。为保证焙烧制得的氧化稀土混合物有较好的溶解性，焙烧温度不宜过高，通常在700～800℃。氧化物可以用1～1.5mol／L 硫酸溶液溶解或4～5mol／L的硝酸溶液溶解。用硫酸和硝酸浸出焙烧矿时，铈主要呈四价进入溶液中。前者是在45℃左右，得到含REO 50g／L的硫酸稀土溶液，再利用P204萃取法生产二氧化铈；后者是在温度为80～85℃时制取含REO 150～200g／L的硝酸稀土溶液，然后利用TBP萃取分离铈。
用稀硫酸或稀硝酸溶解稀土氧化物时，其中的CeO2是比较难溶的，所以在溶解后期需要向溶液中加入少量氢氟酸作为催化剂，以提高CeO2的溶解度。
二、干法空气氧化
将稀土氢氧化物置于烘干炉内，在通风条件下，100～120℃氧化16～24h，其氧化反应如下：
4Ce(OH)3+O2+2H2O=4Ce(OH)4
铈的氧化率可达97％，将氧化温度继续提高到140℃，则可将氧化时间缩短为4～6h，铈的氧化率也可达到97％～98％。干法空气氧化过程中产生大量粉尘，劳动条件差，目前主要在实验室中使用。
三、常压湿法空气氧化
将氢氧化稀土用水调成浆液，控制 REO浓度为50～70g／L，加NaOH 提高浆液的碱度至0.15～0.30mol／L，加热至85℃时直接通入空气将浆液中的三价铈全部氧化为四价铈。在氧化过程中水分的蒸发量比较大，所以应随时补充一定量的水，以维持较稳定的稀土浓度。当每批次氧化40L浆液时，氧化时间为4～5h，铈的氧化率可达98％。每次氧化8m3氢氧化稀土浆液时，空气流量为8～12m3／min，氧化时间增加至15h，铈的氧化率才可以达到97％～98％。
常压湿法空气氧化法的特点为：铈的氧化率高，产量大，劳动条件好，操作简单，工业上通常用此法生产粗二氧化铈。
四、加压湿法空气氧化
在常压下空气氧化时间较长，人们通过采用加压的方式缩短氧化时间。由于空气压力的增加，即体系中的氧分压增加，有利于氧在溶液中的溶解并向稀土氢氧化物颗粒表面扩散，从而加速氧化过程的进行。
将氢氧化稀土用水调浆至60g／L左右，用氢氧化钠调节pH至13，升温至80℃左右，通入空气进行氧化，压力控制在0.4MPa，氧化1h，铈的氧化率就可达到95％以上。实际生产中氧化原料氢氧化稀土是由稀土硫酸钠复盐沉淀进行碱转化得到的。为了缩短流程，可将稀土硫酸钠复盐沉淀和碱液一并加入加压氧化槽内，保持一定的压力和温度，通入空气或富氧，使复盐中的稀土转化为稀土氢氧化物的同时，将其中的Ce（OH）3氧化为Ce（OH）4。
在加压条件下复盐的碱转化速度、铈的氧化速度以及铈的氧化率均得到提高。反应45min，复盐碱转化率和铈的氧化率均达到96％以上。