稳定性二氧化氯通过活化释放出游离态二氧化氯，二氧化氯释放出新生态原子氧：ClO2 —— Cl－ + 2[O] 新生态的原子氧具有强烈的氧化作用，通过氧化微生物的原浆蛋白活性基团，使蛋白质中的氨基酸氧化分解，从而达到杀灭病菌、病毒的目的。
二氧化氯还能与空气中或各种物体表面的氨、硫化物等有机物作用，从而达到除臭的效果。

分子式（CLO2）是由一个氯原子和两个氧原子组成。共结合着19个电子，外层键域上存在一个未成对的活性自由电子，具有极强的氧化作用，活化后的二氧化氯在氢离子的作用下，产生具有强氧化作用的新生态氧〔O〕和次氯酸〔HClO〕依靠其双重氧化作用，能迅速附着在微生物的细胞表面，渗入微生物的酶系统，快速抑制蛋白质的合成，以杀灭微生物。
二氧化氯是一种强氧化剂。消毒作用不受水质碱度（PH6-10）、氨、氮和有机物的影响。二氧化氯以低浓度时在水中的扩散速度、渗透能力、以及溶解度均比氯制剂、臭氧强，用2ppm的二氧化氯作用30秒，就能杀灭水中的各种微生物。
二氧化氯不是氯化剂，因而没有氯化剂的毒副作用。使用二氧化氯消毒时，它在水体中不与有机物反应生成氯代酸和三卤甲烷（已被确认为致癌物质），起作用后的生成物是水、氯化钠、微量二氧化碳和有机盐。同时还能除去水体中的无机污染物及酚类、腐殖质等有机污染物，对霉烂味和腥臭味化合物具有较强的去除效果，使水中的致癌物苯丙比氧化成无致癌性的酯式结构，可将许多有机化合物氧化，从而降低水的毒性和诱变性质，对人类的健康无害。