臭氧分子由三个氧原子通过化学键连接形成V型构型，中心氧原子采用sp2杂化轨道成键。1840年舍拜恩通过电解实验首次发现该分子，其键角为116.8°且具有0.53D的偶极矩。在紫外线或电离作用下，氧气分子可解离重组为臭氧分子，该过程在平流层与近地面分别呈现保护与污染双重效应。臭氧分子具有强氧化性（标准电极电位1.512V），能与生物分子反应生成自由基，0℃时每100ml水可溶解49ml臭氧。该分子在常温下呈亚稳态，20℃时半衰期约40分钟。

臭氧分子呈V型构型，键长介于126-127.8pm之间。中心氧原子通过sp2杂化形成两个σ键，与两侧氧原子共同构建三中心四电子离域π键。X射线衍射研究证实其V型构型导致分子极性，实验测得偶极矩为0.53德拜。休克尔分子轨道法计算显示，离域π键电子云分布差异是极性产生的主要机制。

臭氧分子液态存储需维持-111.9℃以下环境。其密度为氧气1.6倍，溶解性随温度升高显著降低，0℃时水溶液浓度可达0.00105mol/L。紫外光谱分析显示最大吸收波长254nm，该特征与离域π键电子跃迁相关。分子动力学模拟表明振动能级间隔约1103cm-1。

作为第三强氧化剂（标准电极电位1.512V），臭氧分子能与烯烃、芳香烃等发生环加成反应。在生物体系中，其氧化过程产生羟基自由基（·OH）等活性氧物质。MP2理论计算表明，臭氧分子间相互作用能为-3.8kJ/mol，主要源于偶极-偶极作用。

紫外线（波长）照射下，氧气分子光解生成氧原子臭氧层，能吸收97-99%的短波紫外线。

臭氧分子的亚稳态特性源于离域π键的弱键能（142kJ/mol）。20℃条件下，气态臭氧半衰期约40分钟，分解产物为氧气分子。固态臭氧在-193℃时可稳定存在数月。分子轨道理论计算显示，其分解活化能为+105kJ/mol。

在近地面环境，氮氧化物与挥发性有机物经光化学反应生成臭氧分子，浓度超过0.08ppm即构成污染。但低浓度（0.02-0.04ppm）臭氧具有杀菌消毒功能，医疗领域用于空气净化。分子动力学模拟显示，臭氧与细胞膜磷脂双分子层的反应速率常数为1.2×103L/(mol·s)。