臭氧层破洞是地球大气上空平流层（臭氧层）的臭氧从1970年代开始，以每十年4%的速度递减的一种现象。在两极地区的部份季节，递减速度还超过每十年4%，而在春季时连对流层的臭氧也在减少，形成所谓臭氧层破洞。臭氧消耗的主要原因是氯化物和溴化物对臭氧分解的催化作用引起的，这些卤素主要来源于地面释放的氟氯烃（CFC），商品名称为氟里昂。因为臭氧层可以阻挡对生物有害的紫外线（波长为270-315纳米）进入大气层，臭氧层消耗会导致皮肤癌、白内障等疾病患者的增加，并造成一些生物品种，如海洋浮游生物的灭绝，所以蒙特利尔议定书规定禁止生产氟氯烃等一些能造成臭氧层消耗的物质。

从1970年代开始，根据臭氧总量卫星观测仪器（TOMS）的测量，发现南极地区的臭氧层在春季和初夏季迅速减薄，出现所谓的“破洞”。 臭氧总量卫星观测仪器测量的按年份递减的臭氧层厚度值最早于1985年报导的南极地区夏季上空的臭氧层减薄达70%，1990年代的九、十月份持续减薄40–50%；北极上空每年的情况和南极不尽相同，最大于冬季和春季减薄30%。极地上空平流层云的作用对加速臭氧消耗有很大的影响，在极地寒冷的条件下很容易产生云层，以前的预测模式没有考虑到这点，只是按全球臭氧消耗的情况来分析，所以南极上空突然出现的臭氧层破洞令科学家们震惊。
在中纬度地区上空，臭氧层只是消耗而没有形成破洞，1980年以前，在北纬35–60°地区臭氧层只减薄了3%，在南纬35–60°地区减薄了6%，赤道地区臭氧层没有明显的消耗。 臭氧层的消耗也是平流层和上层同温层的温度降低的原因，平流层的温度是由于臭氧吸收紫外线造成的，臭氧减少温度自然会降低，温室气体的增加，使得地球表面散热慢，也会造成平流层温度有些降低，但主要原因还是臭氧减少造成的。
对臭氧层消耗速度的预测意见并不一致，蒙特利尔议定书采纳的是世界气象组织的全球监测报告，认为联合国环境署1994年对1994年-1997年阶段的预测有些过于夸大。
大气中的人造物质——CFC
1920年代发明了氟利昂（CFC），主要用于空调、冰箱的制冷剂，喷雾设施（香水、杀虫剂等）的分散剂以及精细电器设备的清洁剂，由于其无毒、稳定、没有腐蚀性，在1980年代以前受到广泛应用，自然界从来也不存在这种物质，完全是人工合成的，并且在对流层的大气中相当稳定，但这些物质一旦进入平流层，在紫外线的作用下就会分解释放氯原子，成为分解臭氧的催化剂。氟利昂从地面释放一般要15年才能到达大气上层，经过近一个世纪才能基本完全被分解消化，这一过程中，一个氟利昂分子可以消耗近十万个臭氧分子。
观察确认
科学家们经过对臭氧层和人工合成卤素物质释放的观察，结合卫星测定和气象采样分析大气中的物质浓度，经过各种模式试验，已经对这些物质的光解机理，对臭氧层的作用，甚至传播途径，都有了明确的结论。