Možne koristi ozonoterapije so različne in so deloma posledica plina ozona, ki ima protimikrobne lastnosti in lastnosti, ki stimulirajo kisik. Študije so pokazale, da inaktivira viruse, bakterije in protozoe, verjetno z uničenjem zunanje membrane mikroorganizma. Z ogrožanjem zunanje lupine naj bi ozonski plin prodrel v notranjo celico in spremenil DNK do točke, kjer je neželena celica parazita postala neučinkovita. Endogene celice, tako kot tiste, ki so prisotne v sistemu zdravega človeškega telesa, imajo sofisticiran encimski sistem, za katerega pravijo, da je sposoben stabilizirati DNK, ki je bila morda motena z ozonsko terapijo, dejstvo, ki pomaga ozonskemu plinu ciljati na neželene mikrobe.
Spodbujanje presnove kisika je eden od načinov, kako ozon zdravi patogenezo. Plin ozon naj bi povzročil povečanje metabolizma v endogenih rdečih krvnih celicah, kar posledično sprosti več kisika v tkiva v telesu. Ker je telo bolj nasičeno s kisikom, je bolj vešče v boju proti boleznim. Ozon naj bi pospeševal tudi proizvodnjo encimov v telesu, ki delujejo kot lovilci prostih radikalov in zaščitniki zdravih celic. Menijo, da obstajajo druge biokemične reakcije, ki prispevajo k učinkovitosti ozona, ki niso dobro razumljene.
Ko ozon vstopi v telo, se razgradi v perokside. Perokside naj bi privlačile bolne ali oslabljene celice. Če je celica zdrava, ima verjetno encime, ki se upirajo prodiranju peroksidov, vendar je šibka celica, ki je bila okužena z virusi, bakterijami ali rakavo rastjo, v bistvu brez obrambe pred zdravljenjem. Zaradi tega je ozon potencialno zdravilo za številne izčrpavajoče bolezni, vključno z rakom, sindromom kronične utrujenosti in aidsom. Nekatere od teh bolezni naj bi zahtevale večkratno zdravljenje z ozonoterapijo, ker je pridruženi povzročitelj bolezni bolj občutljiv na različnih stopnjah svojega razvoja.
Ozonska terapija ima posebne aplikacije tudi za aktivacijo imunskega sistema. Pravijo, da zdravljenje z ozonom spodbuja proizvodnjo komponent imunskega sistema, kot sta interferon in interlevkin, ki sta osnova učinkovitega odziva imunskega sistema. V zvezi z dopolnjevanjem tradicionalnega režima zdravljenja za bolezni, kot sta rak in AIDS, je ozonska terapija obetavna za pomoč pri zatiranju stranskih učinkov močnih kemoterapevtskih sredstev. Prav tako se domneva, da se lahko med zdravljenjem z ozonom poveča učinkovitost takšnih zdravil.