臭氧很不稳定，在常温下慢慢分解，200℃时迅速分解，它比氧的氧化性更强，能将金属银氧化为过氧化银，将硫化铅氧化为硫酸铅，它还能氧化有机化合物，使许多有机色素脱色，如靛蓝。能侵蚀橡胶，很容易氧化有机不饱和化合物。臭氧、氯和过氧化氢的氧化势（还原电位）分别是2.07．1.36．1.28伏特，可见臭氧在处理水中是氧化力量最强的一种。
臭氧的氧化作用导致不饱和的有机分子的破裂。使臭氧分子结合在有机分子的双键上，生成臭氧化物。臭氧化物的自发性分裂产生一个羧基化合物和带有酸性和碱性基的两性离子，后者是不稳定的，可分解成酸和醛。其反应式为：
2O₃→3O₂+ 285kJ （ 1-2 ）
由于分解时放出大量热量，故当其含量在 25 %以上时，很容易爆炸。但一般臭氧在空气中，臭氧的含量很难超过 10 %以上，在臭氧用于饮用水处理的较长过程中，还没有一例氧爆炸的事例。
含量为 1 %以下的臭氧，在常温常态常压的空气中分解半衰期为20~30分钟左右。随着温度的升高，分解速度加快，温度超过 100℃ 时，分解非常剧烈，达到 270℃高温时，可立即转化为氧气。臭氧在水中的分解速度比空气中快。在含有杂质的水溶液中臭氧迅速回复到形成它的氧气。如水中臭氧浓度为 6.25×10^-5 mol/L(3mg/l) 时，其半衰期为 5 ～ 30min ，但在纯水中分解速度较慢，如在蒸馏水或自来水中的半衰期大约是 20min （ 20℃ ），然而在二次蒸馏水中，经过 85min后臭氧分解只有 10 %，若水温接近 0℃ 时，臭氧会变得更加稳定。臭氧在冰中极为稳定，其半衰期为2000年。