ClO2是一种刺激性气味的气体，其分子结构外层存在一个未成对电子——活泼自由基，具有很强的氧化作用。它能迅速氧化、破坏病毒衣壳上蛋白质中的酪氨酸，抑制病毒的特异性吸附，阻止其对宿主细胞的感染。ClO2与细菌及其它微生物蛋白质中的部分氨基酸发生氧化还原反应，使氨基酸分解破坏，进而控制微生物蛋白质合成，最终导致细菌死亡。同时对细胞壁有较好吸附和透过性能，可有效地氧化细胞内含巯基的酶。除对一般细菌有杀死作用外，对芽孢、病毒、藻类和真菌等均有很好的杀灭作用。
ClO2能较好地杀灭细菌、病毒、却不会对动植物机体产生损伤，原因在于细菌细胞结构与人体、植物体截然不同。细菌属原核细胞生物，其大多数酶系统分布于细胞近表面，易受攻击；而动、植物多属真核细胞生物，其酶系统深入到细胞里的细胞器中而得到保护，因此，ClO2不易与它接触，不易伤害到它，此外，高等动、植物机体在受到外来物侵害时会自动产生对抗外来物质的保护系统，从而完全保证机体不受ClO2等的伤害。
二氧化氯的应用范围
1、对空气的杀菌
空气中含有大量可以致病的细菌，特别是饮食业场所及食品加工厂生产车间空气中微生物种类和数量多而复杂，对于这些微生物普遍采用的是紫外线灭菌方式，但由于室内空气相对湿度大，紫外线杀菌效果并不理想。
而二氧化氯制剂的灭菌能力强，分解迅速无残留，非常适于饮食业及食品加工业的有关场所的空气喷雾杀菌及消毒。此外，春秋两季是感冒、气管炎等传染病的多发季节，可以用二氧化氯对环境进行消毒，不但能杀灭病原微生物，还能消除异味，清新空气。
因此，二氧化氯是比较理想的环境消毒剂。
2、对饮用水的消毒
二氧化氯是净化饮用水的一种有效的净水剂，其中包括良好的除臭与脱色能力、低浓度下高效杀菌和杀病毒能力。二氧化氯用于水消毒，在其浓度为0.5～1mg/L时，1分钟内能将水中99%的细菌杀灭，灭菌效果为氯气的10倍，次氯酸钠的2倍，抑制病毒的能力也比氯高3倍，比臭氧高1.9倍。
二氧化氯还有杀菌快速，pH范围广（6-10），不受水硬度和盐分多少的影响，能维持长时间的杀菌作用，能高效率地消灭原生动物、孢子、霉菌、水藻和生物膜，不生成氯代酚和三卤甲烷，能将许多有机化合物氧化，从而降低水的毒性和诱变性质等多种特点。
3、食品的保鲜
二氧化氯一般使用浓度较小，可直接用于水果、蔬菜、肉类的杀菌、保鲜。将水果、蔬菜在二氧化氯溶液中浸泡片刻，既能杀死微生物又不与脂肪酸反应，不破坏蔬菜的纤维组织并对果蔬的味道、营养无任何损害，且无需再用清水清洗。在流通领域中，有些不宜水洗的果蔬，可用固体的二氧化氯与果蔬一起装入包装箱，可长时间缓慢放出二氧化氯，既灭菌，又可达到保鲜作用。经二氧化氯溶液浸泡的鱼、鸡、禽类，不仅可消除腥臭味，还可有效控制微生物生长，延长储藏期，并能保持鲜美的口味。用二氧化氯处理禽蛋，保鲜效果亦良好，且不影响蛋的孵化。
