臭氧对水溶性染料、蛋白质、氨基酸、有机氨及不饱和化合物、酚和芳香族衍生物以及杂坏化合物、木质素、腐殖质等有机物有强烈的氧化降解作用;还有强烈的杀菌、消毒作用。

臭氧脱色的机理是臭氧及其产生的活泼自由基OH·使染料发色基团中的不饱和键（芳香基或共辄双键）断裂生成小分子量的酸和醛，生成了低分子量的有机物，从而导致水体色度显著降低。臭氧对亲水性染料的脱色速度快，效果好;对疏水性染料的脱色速度慢，效果差，且需臭氧量大。臭氧可氧化铁、锰等无机有色离子为难溶物臭氧的微絮凝效应还有助于有机胶体和颗粒物的混凝，并通过过滤去除致色物。