二氧化氯分子由1個氯原子和2個氧原子組成，共結合著19個電子，外層鍵域上存在一個未成對的活性自由電子，具有很強的氧化作用。同時，由於產生新生態氧，可使微生物內組成蛋白質的胺基酸斷鏈，破壞微生物的酶系統，這種作用是一般含氯的消毒劑或過氧乙酸不能比擬的（其它消毒劑只使蛋白質變性）。二氧化氯的廣譜殺菌作用，對高等動物細胞結構幾乎毫無影響，其分解產物為水、氯化鈉、微量二氧化碳。北京疾病預防控制中心的毒理實驗結果為：
1、急性毒理實驗，屬無毒。
2、致突變實驗，無。
3、ames實驗，陰性。
套用二氧化氯的優勢：
易溶於水，但不水解，溶解度是氯氣的5倍
殺菌力強
能迅速地殺死病毒、細菌、原生生物、藻類和真菌
能有效地殺死賈弟蟲孢子、隱孢子和孢子形成菌
ph適應範圍廣，能在很寬的ph範圍內保持很高的殺菌效率
不會產生有機氯化物，不會形成三鹵甲烷
不會與氨反應
能快速去除水中鐵及錳
能破壞酚、硫化物、氰化物和其它許多有機物
具有漂白脫色作用
腐蝕性低
二氧化氯（clo2）是一種水溶性的強氧化劑，在常溫常壓下是黃綠色的氣體，但在更低的溫度下則呈液態，其分子量為67.45，沸點11°c，熔點——59°c，氣體clo2密度為3.09（11°c），液體clo2的密度為1.64，0℃的飽和蒸汽壓為500torr。二氧化氯在水中以二氧化氯單體存在，不聚合生成clo2氣體，在20°c和4kpa壓力下，溶解度為2.9g/l。在水中不與有機物結合，不生成三氯甲烷致癌物，因此被稱為不致癌的消毒劑。
clo2結構中有一個帶有孤對電子的氯——氧雙鍵結構，極不穩定，光反應會產生氧自由基，具有強的氧化性。下表列出了二氧化氯與其它氧化類消毒劑的氧化能力，亦即殺菌能力的比較（用有效氯表示）。
氧 化 劑
clo2
h2o2
naclo2
kmno4
cl2
naclo
氧化能力
263%
209%
157%
111%
100%
93%
如果以氯氣的氧化能力為100%的話，二氧化氯的理論氧化能力是氯氣的2.6倍，次氯酸鈉的2.8倍，雙氧水的1.3倍。
國外大量的實驗研究顯示，二氧化氯是安全、無毒的消毒劑，更無“三致效應”（致癌、致畸、致突變），同時在消毒過程中也不與有機物發生氯代反應生成可產生“三致作用”的有機氯化物或其他有毒類物質。
由於二氧化氯具有極強的氧化能力，在高濃度時（>500mg/l）會對健康產生不利影響。當使用濃度低於500mg/l時，其影響可以忽略，在100mg/l以下時不會對人體產生任何的影響，包括生理生化方面的影響，對皮膚亦無任何致敏作用。事實上，二氧化氯的常規使用濃度要遠遠底於500mg/l，一般僅在幾十mg/l左右。因此，二氧化氯被國際上公認為安全、無毒的綠色消毒劑。
穩定性二氧化氯通過活化釋放出遊離態二氧化氯，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，殺滅細菌、病毒的目的。
國內外許多的研究結果表明，二氧化氯在極低濃度（0.1mg/l）下，即可殺滅許多種諸如大腸桿菌、金黃色葡萄球菌等致病菌。即使在有機物等干擾下，在使用濃度為幾十mg/l時，也可完全殺滅細菌繁殖體、肝炎病毒、噬菌體和細菌芽胞等所有微生物。而且二氧化氯的殺菌效果受環境條件（如溫度、ph和有機物等）的影響比較小，因此，二氧化氯被公認為是最新一代的廣譜、高效的滅菌劑。
作為第四代消毒劑的二氧化氯，高效、安全、無污染，已被世界衛生組織列為a1級消毒劑 。
二氧化氯是一種高效氧化劑，而不是氯化劑。它的氧化能力約為氯的2.5倍。二氧化氯對細胞壁有較強的吸附和穿透能力，可以快速地抑制微生物蛋白質的合成來破壞微生物。因此，二氧化氯除對一般細菌有殺死作用外，對芽孢、病毒、藻類、鐵細菌、硫酸鹽還原菌和真菌等均有很好的滅殺作用。經美國食品藥物管理局（fda）和美國環境保護署（fpa）的長期科學實驗，二氧化氯被確認為是醫療衛生、食品加工、食品（水產品、果蔬）保鮮、環境、飲水和工業循環水等方面殺菌消毒、除臭的理想藥劑，也是被世界衛生組織（who）所確認的一種安全、高效的殺菌劑，國際上公認的氯系消毒劑最理想的更新換代產品。