臭氧层中有三种氧的同素异形体参与循环：氧原子（O）、氧气分子（O2）和臭氧（O3），氧气分子在吸收波长小于240纳米的紫外线后，被光解成两个氧原子，每个氧原子会和氧气分子重新组合成臭氧分子。臭氧分子会吸收波长为310-200纳米的紫外线，又会分解为一个氧气分子和一个氧原子，最终氧原子和臭氧分子结合形成两个氧气分子。 O + O3 → 2 O2
（每月全球臭氧层平均厚度值（1DU=标准温度和气压下10微米厚度）
平流层中臭氧的总量则取决于上述光化学的过程。臭氧会被一些游离基催化形成氧气而消失，主要的游离基有氢氧基（OH·）、一氧化氮游离基（NO·）、氯离子（Cl·）和溴离子（Br·）。这些游离基有自然生成的，也有人为造成的，其中氢氧基和一氧化氮主要是自然产生的，而氯离子和溴离子则是由于人类活动产生的，主要是一些人造物质，如氟氯烃和氟里昂，因为比较稳定，释放到大气中后，不会分解，而到平流层后在紫外线的作用下会则会分解，成为游离状态。
CFCl3 + hν → CFCl2 + Cl 其中'h'为普朗克常数，'ν'为电磁波的频率。
游离的氯和溴原子通过催化作用，会消耗臭氧。一个氯原子会和一个臭氧分子作用，夺去其一个氧原子，形成ClO，使其还原为氧气分子，而ClO会进一步和另外一个臭氧分子作用，产生两个氧气分子并还原成氯原子，然后继续和臭氧作用。 Cl + O3 → ClO + O2 ClO + O3 → Cl + 2 O2 这种催化作用导致臭氧的进一步消耗，直到氯原子重新回到对流层，形成其他化合物而被固定，例如形成氯化氢或氮氯化合物等，这一过程大约持续有两年时间。
溴原子对臭氧的消耗甚至比氯原子更严重，不过好在溴原子的量比较少。其他卤素原子，如氟和碘也有类似的效应，不过氟原子由于比较活跃，很快就能和水以及甲烷作用形成不易分解的氢氟酸，碘原子甚至在低层大气中就被有机分子俘获，这两种元素对臭氧的消耗没有重要的作用。一个氯原子大约能和十万个臭氧分子作用，如果乘上每年人类向大气释放的氟利昂的量，可以想象其对臭氧层的破坏有多严重。