De potentiella fördelarna med ozonterapi är varierande och beror delvis på att ozongas har antimikrobiella och syrestimulerande egenskaper. Det har i studier visat sig inaktivera virus, bakterier och protozoer, förmodligen genom att förstöra det yttre membranet av mikroorganismen. Genom att äventyra det yttre skalet sägs ozongasen penetrera den inre cellen och förändra DNA:t till en punkt där den oönskade parasitcellen blir ineffektiv. Endogena celler, som de som finns i ett friskt människokroppssystem, har ett sofistikerat enzymsystem som sägs kunna stabilisera DNA som kan ha störts av ozonterapi, ett faktum som hjälper ozongas att rikta in sig på oönskade mikrober.
Stimuleringen av syremetabolismen är ett sätt på vilket ozon sägs behandla patogenes. Ozongas orsakar enligt uppgift en ökning av ämnesomsättningen inuti de endogena röda blodkropparna, vilket i sin tur släpper ut mer syre till vävnader inuti kroppen. När kroppen blir mer syresatt, är den mer skicklig på att bekämpa sjukdomar. Ozon sägs också öka produktionen av enzymer i kroppen, som fungerar som fria radikaler och skyddar friska celler. Det tros finnas andra biokemiska reaktioner som bidrar till ozonets effektivitet som inte är välkända.
När ozongas kommer in i kroppen bryts den ner i peroxider. Peroxider sägs attraheras av sjuka eller försvagade celler. Om en cell är frisk har den förmodligen enzymer som kommer att motstå penetration av peroxiderna, men en svag cell som har infekterats med virus, bakterier eller cancertillväxt är i princip försvarslös mot behandlingen. Av denna anledning är ozon en potentiell behandling för en mängd försvagande sjukdomar, inklusive cancer, kroniskt trötthetssyndrom och AIDS. Vissa av dessa sjukdomar tros kräva flera behandlingar med ozonterapi eftersom den associerade sjukdomspatogenen är mer mottaglig i olika stadier av dess utveckling.
Ozonterapi har applikationer som är specifika för immunsystemets aktivering också. Det sägs att ozonbehandling uppmuntrar produktionen av immunsystemkomponenter, som interferon och interleukin, som är grunden för ett effektivt immunsystemsvar. När det gäller att komplettera en traditionell medicinering för sjukdomar som cancer och AIDS, visar ozonterapi lovande för att hjälpa till att dämpa biverkningarna av hårda kemoterapimedel. Man tror också att styrkan av sådan medicin kan öka medan ozonterapi ges.