相对于化学消毒剂的应用，其杀毒灭菌机理的研究则相对比较落后，各种化学消毒剂究竟是如何作用于微生物并使之被杀灭，一直是困扰人们的谜题，且成为限制消毒剂更广泛应用的一个重要因素。另外，在对消毒剂消杀效果的评价方面，一直存在一些争议，比如能否用PCR检测消杀后微生物（尤其是病毒）的核酸，以此做为判定其是否被杀灭的依据。这些问题的存在，从一定角度上讲，也是消杀机理不明造成的。由此可见，化学消毒剂的使用若要在现有状态下有所突破，消毒剂的消杀机理是亟待解决的问题，也只有在了解消毒剂的作用原理的前提下，我们才有可能更有针对性地对现有消毒剂进行改进，或是开发出针对某种危害大、现阶段难于杀灭的微生物的专一消毒剂，造福于人类。另外，消杀机理的研究结果也可以为建立一个科学有效的消毒剂效果评价技术提供有价值的依据，对我国制定相关政策、标准具有实际意义。

随着二氧化氯越来越广泛的应用，人们也开始迫切需要了解其作用的详细机理，国外自二十世纪中期即开始陆续有此方面的报道，但多局限于形态及动力学的研究。其后随着生物学研究手段的发展不断有所突破，取得了一些成果。但是迄今为止，关于二氧化氯消毒作用机理，尚存在较大争议。Benarde等采用快速消毒取样法，结合分光光度法和同位素示踪法观察了二氧化氯对大肠杆菌的细胞壁和蛋白质合成的影响后指出，用二氧化氯处理细菌后其细胞内容物（蛋白质和核酸）没有渗漏出来，说明消毒剂没有破坏细胞壁的完整性，而细胞合成蛋白质的过程却明显抑制，并且受抑制程度与二氧化氯的投加量对应。Benarde还发现，二氧化氯对组氨酸、苯丙氨酸、天冬氨酸、精氨酸、亮氨酸、脯氨酸的纸上层析行为没有明显影响，因此认为二氧化氯与游离氨基酸之间没有作用；但NossC. I.却发现二氧化氯能降解噬菌体f2衣壳蛋白上的酪氨酸、半胱氨酸和色氨酸。

由此看来，二氧化氯与氨基酸是有相互作用的，但是这种作用具有某种选择性。Berg J. D等发现二氧化氯不能导致大肠杆菌细胞的大分子漏出，但能改变细胞膜的通透性而导致K＋泄漏，而陈春田等认为经二氧化氯作用的枯草杆菌黑色变种芽孢保护性屏障和大肠杆菌细胞壁受损，通透性发生变化，核心物质漏出。Roller S. D.等试图通过对二氧化氯作用后细菌脱氢酶、蛋白质合成及病毒核酸的感染性等方面的研究来阐述其作用机理，试验结果显示在作用的前5秒内，所有的脱氢酶活性均被抑制，但此时相当多的细菌仍可存活；蛋白质合成部分被抑制，且抑制程度与作用浓度存在一定关系；而病毒DNA在消杀后其转化活性不受影响，即使用二氧化氯作用于裸露的病毒DNA，对其转化活性亦无明显影响。

据此他推断二氧化氯对细菌细胞的最初作用不在研究的这三个方面，而是在其它地方。Alvarez M. E.等以脊髓灰质炎病毒为研究对象，对比了二氧化氯和碘这两种消毒剂在作用机理方面的不同，认为不同于碘的通过干扰病毒吸附、进入及脱壳来灭活病毒，二氧化氯是通过作用于病毒的RNA而使其失活；刘雪林等报告认为，二氧化氯对大肠杆菌ATP酶的破坏和使脂质过氧化，是大肠杆菌死亡的重要原因。也有报道，二氧化氯作用于细胞内含巯基的酶。另有报道，二氧化氯有很强的氧化分解能力导致氨基酸链断裂，蛋白质失去功能，从而使微生物死亡。它的作用既不是蛋白质变性作用，也不是氯化，而是强大的氧化作用，这种氧化作用比氯化作用至少强2.5倍。

综上所述，相对于二氧化氯日益广泛的应用与对其杀灭微生物效果的研究，杀菌机理的研究相对落后，所做工作不多，且目前对于二氧化氯使微生物致死的主要靶点还没形成一致的看法。较多研究者认可二氧化氯能干扰细菌蛋白质的合成的观点，但现在缺乏这方面更深入细致的研究，无法确定其究竟是在蛋白合成那个环节上起作用；二氧化氯是否导致大分子物质泄漏？不同的研究者给出的结果往往相互矛盾；二氧化氯与核酸的作用在致死过程中的重要性如何？迄今为止研究二氧化氯与核酸相互作用的实验多以病毒为模型，但细菌与病毒结构相比毕竟更为复杂，以病毒实验的结果来推测二氧化氯与细菌的作用机理难免导致偏差，二氧化氯对于细菌DNA直接作用以及消杀后细菌总DNA的变化至今尚无报道；也没有实验数据表明究竟二氧化氯是通过与细胞外膜蛋白相互作用使细菌致死还是进入细胞内部起作用。国内虽然有人做了二氧化氯对大肠杆菌ATP酶的破坏，但对于滤液中是否有ATP的漏出目前尚无报道。微生物屏障功能的破坏究竟是二氧化氯杀菌的关键还是继发现象，这些都有待进一步进行深入的研究。