在高層大氣中(高度范圍約離地面15km～25km)，由氧吸收太陽紫外線輻射而生成可觀量的臭氧(O3)。光子首先將氧分子分解成氧原子，氧原子與氧分子反應生成臭氧：
O3和O2屬于同素異形體，在通常的溫度和壓力條件下，兩者都是氣體。
當O3的濃度在大氣中達到最大值時，就形成厚度約20km的臭氧層。臭氧能吸收波長在220nm～330nm范圍內的紫外光，從而防止這種高能紫外線對地球上生物的傷害。
過去人類的活動尚未達到平流層(海拔約30km)的高度，而臭氧層主要分布在距地面15km～35km的大氣層中，所以未受到重視。近年來不斷測量的結果證實臭氧層已經開始變薄，乃至出現空洞。1985年，發現南極上方出現了面積與美國大陸相近的臭氧層空洞，1989年又發現北極上空正在形成的另一個臭氧層空洞。此后發現空洞并非固定在一個區域內，而是每年在移動，且面積不斷擴大。臭氧層變薄和出現空洞，就意味著有更多的紫外輻射線到達地面。紫外線對生物具有破壞性，對人的皮膚、眼睛，甚至免疫系統都會造成傷害，強烈的紫外線還會影響魚蝦類和其他水生生物的正常生存，乃至造成某些生物滅絕，會嚴重阻礙各種農作物和樹木的正常生長，又會導致的溫室效應加劇。
人類活動產生的微量氣體，如氮氧化物和氟氯烴等，對大氣中臭氧的含量有很大的影響。引起臭氧層被破壞的原因有多種解釋，其中公認的原因之一是氟里昂的大量使用。氟里昂被廣泛用作制冷劑、發泡劑、清洗劑、氣噴霧劑等。氟里昂化學性質穩定，易揮發，不溶于水。但進入大氣平流層后，受紫外線輻射而分解產生Cl原子，Cl原子則可引發破壞O3循環的反應：
Cl O3→ClO O2
ClO O→Cl O2
由第一個反應消耗掉的Cl原子，在第二個反應中又重新產生，又可以和另外一個O3起反應，因此每一個Cl原子能參與大量的破壞O3的反應，這兩個反應加起來的總反應是：
O3 O→2O2
反應的最后結果是將O3轉變為O2，而Cl原子本身只作為催化劑，反復起分解O3的作用。O3就被來自氟里昂分子釋放出的Cl原子引發的反應破壞。
另外，大型噴氣機的尾氣和核爆炸煙塵的釋放高度均能達到平流層，其中含有各種可與O3作用的污染物，如NO和某些自由基等。人口的增長和氮肥的大量施用等也可以危害到臭氧層。在氮肥的分解中會向大氣釋放出各種氮的化合物，其中一部分可能是有害的氧化亞氮(N2O)，它會引發下列反應：
N2O O→N2 O2
N2 O2→2NO
NO O3→NO2 O2
NO2 O→NO O2
O3 O→2O2
NO按上述反應式循環起作用，使O3TT分解。
為了保護臭氧層免遭破壞，于1987年簽定了蒙特利爾議定書，即禁止使用氟氯烴和其他的鹵代烴國際議定書。然而，臭氧層變薄的速度仍在加快。不論是南極地區上空，還是北半球的中緯度地區上空，O3含量都呈下降趨勢。與此同時，關于臭氧層破壞機制的爭論也很激烈。例如大氣的連續運動性質使人們難以確定臭氧含量的變化究竟是由動態漲落引起的，還是由化學物質破壞引起的，這是爭論的焦點之一。由于提出不同觀點的科學家在各自所在的地區對大氣臭氧進行的觀測是局部和有限的，因此建立一個全球范圍的臭氧濃度和紫外線強度的監測網絡，可能是十分必要的。
聯合國環境規劃署對臭氧消耗所引起的環境效應進行了估計，認為臭氧每減少1％，具有生理破壞力的紫外線將增加1.3％，因此，臭氧的減少對動植物尤其是人類生存的危害是公認的事實。保護臭氧層須依靠國際大合作，并采取各種積極、有效的對策。