O₃分子的结构呈折线形或V型，其中间的氧原子通过sp²杂化形成了120°的键角。在该分子中，一对未共用的电子对（最上方的电子对）位于平面上，而两个氧原子通过单电子分别与周围的氧原子形成了σ键，同时还共同形成了一个离域π键。臭氧在水中的分解速度通常比在气态中的速度要快。其水溶液中的分解半衰期与温度和pH值有关，温度升高会加速分解，特别是在100℃以上时，分解变得剧烈；当温度达到270℃时，臭氧可立即转化为氧气。pH值越高，分解速度越快。在常温常压下，空气中的臭氧分解半衰期大约为15至30分钟。臭氧的嗅觉阈值为0.02毫升/立方米，当浓度达到0.1毫升/立方米时，可能会刺激黏膜；而浓度达到2毫升/立方米时，可能会引起中枢神经障碍。

臭氧能够使大多数有机色素褪色，并缓慢地侵蚀橡胶和软木，氧化有机不饱和化合物。它常被用于消毒和杀菌、空气净化、漂白、水处理以及饮水消毒。臭氧还可用于粮仓中杀灭霉菌和虫卵。当臭氧与有机不饱和化合物反应时，会生成臭氧化物。这些臭氧化物在水的存在下可以分解，导致原有的不饱和键断裂，生成醛、酮和羧酸等。由于臭氧的分解产物是氧气，它是一种高效且不会产生二次污染的氧化剂。