臭氧是极强的氧化剂，具有很强的氧化能力，它的氧化还原电位：
由于臭氧不稳定，在水中能迅速分解，其分解速度随着温度、pH值的增高而增强，在纯水中臭氧分解的半衰期为15～30min，溶解在水中的臭氧受到羟基离子的催化作用也能很快被还原。
臭氧氧化分解水中有机物，对烯烃类化合物的双键氧化能力最强，其次是胺类和碳氢双键，再其次是炔烃类三键化合物、碳环、杂环化合物、硫化物、磷化物等，臭氧对醇、醛、醚及碳氢化合物的单键氧化能力最弱。
臭氧与水中有机物反应机理是比较复杂的，各种解释不一，根据Hoigne和Bader提出的臭氧在水中的反应理论认为：臭氧与水中有机物进行反应，通过两条途径进行，其一臭氧与有机物直接反应，亦称D反应；其二臭氧与有机物间接反应，即臭氧分解产生羟根自由基（OH·）的间接反应，亦称R反应。二者比较，以D反应速度比较缓慢，有选择性，是去除水中有机物的主反应。R反应是羟根自由基（OH·）和水中有机物、微生物、CO2－3、HCO－3反应。虽然反应能力强，反应速度快，但是选择性差，它既能与有机物反应加速臭氧分解速度，又能与水中碳酸根和碳酸氢根反应，生成次自由基CO－3·和HCO3·，次自由基也能和有机物反应，但反应速度非常缓慢。下图为臭氧在水中反应途径。
臭氧去除水中有机物的效果一般认为是D反应和R反应的叠加作用，上述两种反应进行的程度取决于不同的反应条件。当水中pH值小于8时，OH·自由基会大大减少，或者水中添加大量HCO－3时，也可捕集OH·自由基，同样可以缓解OH·自由基的反应强度，这样就减弱了臭氧分解速度。因此在低pH值或高碱度情况下，则可强化臭氧直接反应，有利臭氧充分利用，增强其脱色杀菌效果和去除有机物能力，反之处理高pH值或低碱度水质情况下，臭氧分子分解迅速强化了羟基自由基的氧化作用。
臭氧用于给水厂水质处理，以天然水体或受污染的天然水体作自来水源水时，pH值一般在6.0～8.5之间，水体中并存在相当数量的碳酸根离子和碳酸氢根离子，臭氧投加后仍然以D反应为主、R反应为辅的途径去除水中污染有机物。
