二氧化氯溶于水后，基本不与水发生化学反应，也不以二聚或多聚状态存在。它在水中的扩散速度与渗透能力都比氯快，特别在低浓度时更突出。当细菌浓度在105~106个/mL时，0.5ppm的ClO2作用5分钟后即可杀灭99%以上的异养菌;而0.5ppm的Cl2的杀菌率只能达到75%，试验表明，0.5ppm的ClO2在12小时内对异养菌的杀灭率保持在99%以上，作用时间长达24小时杀菌率才下降为86.3%。



二氧化氯不与水体中的有机物作用生成三卤等致癌物质，对高等动物细胞、及染色体无致癌、致畸、致突变作用。ClO2对还原性阴、阳离子和氧化效果以去毒为主(H2S、SO32-、CN-、Mn2+)，对有机物的氧化降解以含氧基团的小分子化合物为主，这些产物到目前的研究为止，均证明是无用的，并且ClO2使用剂量极低，因此用ClO2消毒十分安全，无残留毒性。其安全性是被世界卫生组织(WHO)定为AI级。



二氧化氯对细胞壁有较强的吸附和穿透能力，放出原子氧将细胞内的含巯基的酶氧化起到杀菌作用。国外大量的实验研究显示，二氧化氯是安全、无毒的消毒剂，无'三致'效应(致癌、致畸、致突变)，同时在消毒过程中也不与有机物发生氯代反应生成可产生'三致作用'的有机氯化物或其它有毒类物质。但由于二氧化氯具有极强的氧化能力，应避免在高浓度时(>500ppm)使用。