臭氧的應用主要是滅菌消毒。這主要是因為臭氧有極強的氧化能力，臭氧在一定濃度下能與細菌、病毒、病原體等微生物產生生化反應。臭氧具有很高的能量，在常溫、常壓下很快自行分解為氧（O2）和單個氧原子（O），單個氧原子具有很強的活性，對細菌、病毒、病原體等微生物具有較強的氧化作用。

臭氧是廣譜、高效快速殺菌劑，可以迅速殺滅使人和動物致病的各種病菌、病毒、病原體及微生物。可以在較短時間內破壞細菌、病毒和其他微生物的生物結構，刺破細胞壁，使之失去生存能力，當其濃度達到一定值後，殺菌消毒甚至可以瞬間完成。

臭氧能氧化分解細菌、病毒內部氧化葡萄糖所必須的葡萄糖氧化酶，並直接與細菌、病毒發生作用，氧化並穿透其細胞壁，破壞其細胞器和核糖核酸，分解DNA、RNA、蛋白質、脂質類和多糖等大分子聚合物，使細菌、病毒的新陳代謝和繁殖過程遭到破壞，而奪取細菌病毒的生命。同時還可以滲透細胞膜組織、侵入細胞膜內作用於外膜脂蛋白和內部的脂多糖，使細胞發生通透性畸變，導致細胞溶解性死亡，並將死亡菌體內的遺傳基因、寄生菌種、寄生病毒粒子、噬菌體、支原體及熱源（內毒素）等溶解死亡。綜觀無菌技術對微生物作用的原理可分為抑菌型、殺菌和溶菌型三種。臭氧滅菌消毒屬於溶菌型劑體，可以達到“徹底、永久地消滅物體內部所有微生物的目的”。而且它的作用是瞬間完成的。