臭氧和氯的氧化還原電位分別是2.07V和1.36V，因此，臭氧的氧化性僅次于羥基自由基OH和氟，是一種比氯性質更強烈的氧化劑和殺生劑，在水處理中的可以作為氧化劑或消毒劑。

作為消毒劑消毒時，其殺菌和除*效果較好，而且接觸時間較短。比如臭氧達到某種消毒效果要求投加量與接觸時間的乘積是5的話，要達到同樣效果，氯的投加量與接觸時間的乘積是1440。臭氧消毒的*大特點是當水中含有有機物時，不會產生氯消毒時容易生成的有機氯化物一類有毒物質。而且由于臭氧的氧化力極強，不但可以殺菌，還可以除去水中的色味等有機物，即同時具有殺菌、除臭、去色、除酚等多種作用。由于其分解快而沒有殘留物質存在，因此特別適用于對微污染地表水為水源的飲用水消毒和污水深度處理出水的消毒。

利用臭氧的強氧化性，可以將污水中的Fe2+、Mn2+等金屬離子氧化到較高或*高氧化態，再加堿形成更難溶的氫氧化物沉淀從水中除去。當廢水中含有氰化物、硫化物、亞硝酸鹽等有毒還原性無機物時，可以使用臭氧氧化的方法，將其氧化為CO2、N2O、SO42-、NO3-等無毒或毒性較小的物質。

與有機物反應時，臭氧的氧化作用可導致不飽和的有機分子的破裂而發生臭氧分解。即臭氧分子在極性有機分子原來的雙鍵位置上發生反應，把其分子分裂為兩個羧酸類分子。臭氧化物的自發性分裂產生一個羧基化合物和帶有酸性和堿性基團的兩性離子，后者是不穩定的，可分解成酸和醛。因此，在廢水處理領域，已開始廣泛利用臭氧的這一性質對一些難以生物降解的有機廢水進行處理，作為二級生物處理的預處理。紫外/臭氧光化學系統能促進臭氧分解產生氧化能力更強的OH自由基，從而提高臭氧的氧化速率和效率，實現對有機物徹底的礦化處理。比如這樣的系統對含二甲苯廢水進行處理時，可以將二甲苯徹底氧化成無毒的水及二氧化碳。