臭氧氣體是藍色，液體是深藍色，固體是深藍色。其分子結構呈三角形。當臭氧濃度達到15%時，在常溫、常壓、常色條件下，臭氧為無色氣體，顏色為淡藍色。臭氧氣體不溶于液氧、四氯化碳等，但溶于水，在水中溶解度高。在0℃和標準大氣壓下，綜合積水可以溶解0.494體積的臭氧。在常溫常壓下，臭氧在空氣中的溶解度約為氧氣的13倍，比臭氧高25倍。但臭氧水溶液的穩定性受水中雜質的影響很大，尤其是含有金屬離子時，臭氧在純水中分解迅速而緩慢。濃度2.14g/L（0°C，0.1MP），沸點-111°C，熔點-192°C。由于其分子結構不穩定，在水中比在空氣中更容易分解。臭氧在水中的溶解度雖然比氧氣高10倍，但在實際應用中溶解度很小，因為它的溶解度與系統中的分壓和總壓成正比，符合亨利定律。因為空氣中的臭氧含量極低，所以分壓也極低，會迫使水中的臭氧從水與空氣的界面逸出，使水中的臭氧濃度始終處于持續下降的狀態。