二氧化氯殺菌或殺病毒最主要的方式是利其用氧化作用及強穿透力，穿透細胞膜氧化其蛋白質、脂肪和核酸等以達到去活性之功能。

因穩定性二氧化氯經過活化後釋放出游離態二氧化氯，游離態二氧化氯不穩定釋放出新生態氧原子；新生態氧原子具有強烈的氧化作用，其通過氧化微生物、細菌細胞中可溶性部分（包括酶系統）而達到快速抑制微生物蛋白質的合成，進而來破壞原菌、真菌和病毒等，以達到殺滅細菌、病毒的目的。

因此二氧化氯除了對一般細菌有殺滅作用外，對芽胞、病毒、藻類、異菌、鐵細菌、及硫酸鹽等均有很好的殺滅作用，在氧化的同時不伴隨氯化作用而產生氯仿等有機致癌物。

二氧化氯對高等動物細胞結構幾乎無影響，其分解產物為水、氯化鈉、微量二氧化碳。加之微生物對其也不產生抗藥性，同時，ClO₂為強氧化劑，幾乎可以分解水中所有還原性污染物質。