臭氧層中的臭氧絕大部分集中在離地面20～25km的空間，最高濃度約為10g／t，總質量約30Mt。盡管如此，每10萬個氣體分子中也只有一個臭氧分子。

在大氣層的上層氧分子受到陽光中紫外線的輻射，當氧分子吸收波長小于200nm的輻射后，會發生光化學反應，分解為兩個氧原子（也叫原子氧）。

此外，水蒸氣也會發生光化學反應，分解成兩個氫原子和一個氧原子。在100km以下的空間，O2和O的濃度相當，當氧原子和氧分子碰撞，就生成臭氧。

O O₂→O₃

如此反復發生光化學反應，形成比較穩定的富臭氧層。

臭氧能強烈地吸收220～330nm的紫外線，所以在臭氧層中幾乎所有的紫外線都被吸收，只有少量的紫外線透過臭氧層而抵達離地面較近的空間。220～330nm的紫外輻射對生物有殺傷力，所以臭氧層是地球上生物的保護層，有了它，地球上的生物才能生存。