臭氧作为气体消毒剂，其杀菌过程为强氧化作用使微生物细胞中的多种成分产生反应，从而产生不可逆转的变化而死亡。一般认为，臭氧灭活病毒是通过直接破坏其核糖核酸或脱氧核糖核酸完成的。而杀灭细菌、霉菌类微生物则是臭氧首先作用于细胞膜，使膜构成成分受损失，导致新陈代谢障碍并抑制其生长，臭氧继续渗透破坏膜内组织，使其死亡。湿度增加可提高杀灭率，是由于在湿度下细胞膜膨胀变薄，其组织容易被臭氧破坏。 臭氧去除异味性能极好。它的强氧化性能使各种有臭味的无机或有机物质氧化，除掉其臭味。臭味的主要成分是胺类物质、硫化氢、甲硫醇、二甲硫化合物、二甲二硫化物等。它们与臭氧作用几分钟即可被臭氧氧化，除去臭味。

臭氧在废水中可用来脱色。有色物质中的发色基团有： 乙烯基、偶氮基、氧化偶氮基、羧基、硫羧基、硝基、亚硝基等。臭氧能打开它们的不饱键，使之失去显色能力。

臭氧氧化水中的酚属于自由基反应，首先经过链的引发，进而引进羟基，直至最后氧化为二氧化碳和水。臭氧还能氧化电镀废水中的氰。臭氧对无机金属离子诸如Fe2+、Mn2+等的氧化均与氯气相似，将其氧化为较高价态的稳定的沉淀物。应用臭氧、活性炭同时处理废水，活性炭能催化臭氧的氧化，并可降低臭氧消耗量。