臭氧灭菌或抑菌作用，通常是物理的、化学的及生物学等方面的综合结果。其作用机制可归纳为：

（1）作用于细胞膜，导致细胞膜的通透性增加，细胞内物质外流，使细胞失去活动；

（2）使细胞活动必需的酶失去活性；

（3）破坏细胞内的遗传物质或使其失去功能。臭氧杀灭病毒是通过直接破坏核糖核酸或脱氧核酸完成的。而杀灭细菌、霉菌类微生物则是臭氧首先作用与细胞膜，使细胞膜的构成收到损伤，导致新陈代谢障碍并抑制其生长，臭氧继续渗透破坏膜内组织，直到死亡。

臭氧杀菌主要是使细菌或病毒无法增殖以及无法生存。
细菌以蛋白质、RNA、DNA为主要成分，由多糖类、蛋白质、脂质等构成。病毒则是由蛋白质、RNA、DNA、所构成。   要使细菌或病毒死亡以及不活性化，必须损伤其成分或加以破坏、分解。臭氧能够渗透到细菌或病毒中，使其变成酵素。而RNA、溶酶菌等物质会被分解，DNA则于受损后被击溃。

臭氧杀菌机理以氧化作用破坏微生物膜的结构实现杀菌作用。臭氧对细菌的灭活反应总是进行的很迅速，与其它杀菌剂不同的是：臭氧能与细菌细胞壁脂类双键反应, 穿入菌体内部，作用于蛋白和脂多糖，改变细胞的通透性，从而导致细菌死亡。臭氧还作用于细胞内的核物质，如核酸中的嘌呤和嘧啶破坏DNA。臭氧首先作用于细胞膜，使膜构成成份受损伤而导致新陈代谢障碍，臭氧继续渗透穿透膜而破坏膜内脂蛋白和脂多糖，改变细胞的通透性，导致细胞溶解、死亡。