臭氧层中的臭氧绝大部分集中在离地面20～25km的空间，最高浓度约为10g／t，总质量约30Mt。尽管如此，每10万个气体分子中也只有一个臭氧分子。

在大气层的上层氧分子受到阳光中紫外线的辐射，当氧分子吸收波长小于200nm的辐射后，会发生光化学反应，分解为两个氧原子（也叫原子氧）。

此外，水蒸气也会发生光化学反应，分解成两个氢原子和一个氧原子。在100km以下的空间，O2和O的浓度相当，当氧原子和氧分子碰撞，就生成臭氧。

O O₂→O₃

如此反复发生光化学反应，形成比较稳定的富臭氧层。

臭氧能强烈地吸收220～330nm的紫外线，所以在臭氧层中几乎所有的紫外线都被吸收，只有少量的紫外线透过臭氧层而抵达离地面较近的空间。220～330nm的紫外辐射对生物有杀伤力，所以臭氧层是地球上生物的保护层，有了它，地球上的生物才能生存。