臭氧的氧化能力极强，其氧化还原电势为2.07伏，仅次于氟。臭氧在水中极不稳定，其分解产生的羟基自由基也具有极强的氧化能力。臭氧及其次生的羟基自由基能够氧化破坏病原微生物细胞膜结构中的双键，进而穿入细胞内部，作用于蛋白和脂多糖，改变细胞的通透性，从而导致细菌死亡。此外，臭氧及其次生的羟基自由基还可以作用于病原微生物细胞核物质，如核酸中的嘌呤和嘧啶。

由于臭氧的不稳定性，臭氧将快速消耗在废水中，不具有持续消毒的能力。当废水中存在溴离子时，会产生潜在致癌物溴酸盐。废水臭氧消毒的优点是氧化能力强，消毒效果好；缺点是费用较氯化消毒高，投资大，配套设备相对复杂。

影响水臭氧消毒效果的因素主要有：臭氧投量、接触时间、水的pH、水温、病原微生物的种类和数量。