臭氧以氧原子的氧化作用破坏微生物膜的結構，以實現殺菌作用。臭氧對細菌的滅活反應總是進行的很迅速，與其它殺菌劑不同的是：臭氧能與細菌細胞壁脂類的雙鍵反應， 穿入菌體內部，作用於蛋白和脂多糖，改變細胞的通透性，從而導致細菌死亡。臭氧還作用於細胞內的核物質，如核酸中的嘌呤和嘧啶破坏DNA。臭氧首先作用於細胞膜，使膜構成成份受損傷，而導致新陳代謝障礙，臭氧繼續滲透穿透膜，而破坏膜內脂蛋白和脂多糖，改變細胞的通透性，導致細胞溶解、死亡。