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菌劑，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，其殺菌和除病毒效果較好，而且接觸時間較短。臭氧消毒的最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。

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最高氧化態，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。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。