Τα πιθανά οφέλη της οζονοθεραπείας είναι ποικίλα και οφείλονται, εν μέρει, στο αέριο όζον που έχει αντιμικροβιακές και οξυγονοδιεγερτικές ιδιότητες. Έχει αποδειχθεί σε μελέτες ότι αδρανοποιεί ιούς, βακτήρια και πρωτόζωα, πιθανώς καταστρέφοντας την εξωτερική μεμβράνη του μικροοργανισμού. Διακυβεύοντας το εξωτερικό περίβλημα, το αέριο όζον λέγεται ότι διεισδύει στο εσωτερικό κύτταρο και μεταβάλλει το DNA σε σημείο όπου το ανεπιθύμητο κύτταρο παρασίτου καθίσταται αναποτελεσματικό. Τα ενδογενή κύτταρα, όπως αυτά που υπάρχουν σε ένα υγιές σύστημα ανθρώπινου σώματος, έχουν ένα εξελιγμένο ενζυματικό σύστημα που λέγεται ότι μπορεί να σταθεροποιεί το DNA που μπορεί να έχει διαταραχθεί από την οζονοθεραπεία, γεγονός που βοηθά το αέριο όζον να στοχεύσει ανεπιθύμητα μικρόβια.
Η διέγερση του μεταβολισμού του οξυγόνου είναι ένας τρόπος με τον οποίο λέγεται ότι το όζον αντιμετωπίζει την παθογένεση. Το αέριο όζον φέρεται να προκαλεί αύξηση του μεταβολισμού μέσα στα ενδογενή ερυθρά αιμοσφαίρια, τα οποία, με τη σειρά τους, απελευθερώνουν περισσότερο οξυγόνο στους ιστούς μέσα στο σώμα. Καθώς το σώμα γίνεται πιο οξυγονωμένο, είναι πιο ικανό στην καταπολέμηση των ασθενειών. Λέγεται ότι το όζον αυξάνει επίσης την παραγωγή ενζύμων στο σώμα, τα οποία δρουν ως δεσμευτές ελεύθερων ριζών και προστατευτικά υγιών κυττάρων. Πιστεύεται ότι υπάρχουν άλλες βιοχημικές αντιδράσεις που συμβάλλουν στην αποτελεσματικότητα του όζοντος, οι οποίες δεν είναι καλά κατανοητές.
Καθώς το αέριο όζον εισέρχεται στο σώμα, διασπάται σε υπεροξείδια. Τα υπεροξείδια λέγεται ότι έλκονται από άρρωστα ή εξασθενημένα κύτταρα. Εάν ένα κύτταρο είναι υγιές, προφανώς έχει ένζυμα που θα αντισταθούν στη διείσδυση των υπεροξειδίων, αλλά ένα αδύναμο κύτταρο που έχει μολυνθεί με ιούς, βακτήρια ή καρκινική ανάπτυξη είναι ουσιαστικά ανυπεράσπιστο έναντι της θεραπείας. Για το λόγο αυτό, το όζον είναι μια πιθανή θεραπεία για μια πληθώρα εξουθενωτικών ασθενειών, συμπεριλαμβανομένου του καρκίνου, του συνδρόμου χρόνιας κόπωσης και του AIDS. Ορισμένες από αυτές τις ασθένειες πιστεύεται ότι απαιτούν πολλαπλές θεραπείες με οζονοθεραπεία επειδή το σχετικό παθογόνο της νόσου είναι πιο ευαίσθητο σε διαφορετικά στάδια της ανάπτυξής του.
Η οζονοθεραπεία έχει εφαρμογές ειδικές και για την ενεργοποίηση του ανοσοποιητικού συστήματος. Λέγεται ότι η θεραπεία με όζον ενθαρρύνει την παραγωγή συστατικών του ανοσοποιητικού συστήματος, όπως η ιντερφερόνη και η ιντερλευκίνη, τα οποία αποτελούν τη βάση μιας αποτελεσματικής απόκρισης του ανοσοποιητικού συστήματος. Σε ό,τι αφορά τη συμπλήρωση ενός παραδοσιακού θεραπευτικού σχήματος για ασθένειες όπως ο καρκίνος και το AIDS, η οζονοθεραπεία δείχνει πολλά υποσχόμενη ότι βοηθά στην καταστολή των παρενεργειών των σκληρών παραγόντων χημειοθεραπείας. Θεωρείται επίσης ότι η ισχύς τέτοιων φαρμάκων μπορεί να αυξηθεί κατά τη χορήγηση οζονοθεραπείας.