由于二氧化氯的有效氯是氯的2.63倍，氧化能力约为氯的2.5倍，杀菌效果是次氯酸的5倍左右，使二氧化氯作为消毒剂、漂白剂、脱味剂被广泛应用于水处理、食品加工、纸浆漂白和医疗场所等领域。美国国家环保局EPA将各种常用消毒剂按其消毒效果的强弱排序如下：臭氧＞二氧化氯＞次氯酸＞次氯酸盐＞氯气＞二氯胺＞一氯胺。臭氧虽然消毒效果，但臭氧因成本太高，也只是个别国家在局部地区使用。在饮用水消毒中，由于氯气价格低廉、使用方便等优点，氯气成为使用最多，应用最广泛的一种杀菌消毒剂。但是，氯气消毒时，常与水中的有机物作用产生一系列取代反应，用氯气消毒的水中含有三卤甲烷(THMS)和卤代酸(HAAS)，并且通过动物试验研究，证明具有致突变性和致癌性，有的还有致畸性和神经毒性作用，可引起肝、肾和肠道肿瘤。为此美国饮用水水质修正案规定水中总的三卤甲烷(THMS)的浓度不得超0.1mg/L，德国规定为0.025mg/L，我国规定为0.06mg/L。因而在欧美等发达国家逐步被淘汰，如欧洲在饮用水领域90%的氯气消毒已被二氧化氯所取代。二氧化氯由于其优异的高效广谱杀菌性能和较低有毒副产物，用于处理水体，二氧化氯不会与水体中的有机物作用生成有机致癌物(这是与氯气相比具有的的优越性)，所产生的总的有机氯含量仅为用氯消毒的11~25%。欧美一些发达国家积极开展了这方面的研究，并发现与氯、臭氧等消毒剂比较，二氧化氯最为安全可靠。因此，在国际上得到迅速发展，在相关领域得到了广泛的应用。
空气消毒方面：
美国有两家公司CDG Technology 和 ClorDisys开发研制出气体二氧化氯发生器，使用的方法是化学法，由于化学法方法简单，成本低廉。就目前国际上对室内空气消毒方面，采用气体二氧化氯对空气消毒有少量报道，而且这些报道基本上仍然采用液体二氧化氯雾化后对空气消毒，不能适用于对具有较大空间环境微生物的杀菌消毒和防治。与液态二氧化氯相比，气体二氧化氯具有很好的扩散性、穿透性、使用均匀性，将气体二氧化氯用于较大空间环境的空气消毒，可以实现真正意义上的对空气和物体表面全方位的消毒。因此，美国等先进国家近年来一直致力于气体二氧化氯的开发研究。前些年国内主要有山东大学、哈尔滨工业大学、同济大学等单位开发生产液态二氧化氯，其研究成果已经大量应用于养殖水、饮用水和污水处理，并且产生了较好的经济效益和社会效益。
饮水消毒方面：
一直以来，液氯是统治我国大型自来水消毒的主要骨干力量。但是随着人们对各类消毒品的深入了解，氯气消毒时，常与水中的有机物作用产生一系列取代反应，用氯气消毒的水中含有三卤甲烷(THMS)和卤代酸(HAAS)，并且通过动物试验研究，证明具有致突变性和致癌性，有的还有致畸性和神经毒性作用，可引起肝、肾和肠道肿瘤。二氧化氯取代液氯消毒法已是大势所趋，二氧化氯发生器应运而生。现场制备型二氧化氯发生器原料使用盐酸、氯酸钠发生反应制备二氧化氯。但发生器的出现并没有从根本上解决问题。发生器原料难购买，生成的二氧化氯不稳定，仍然有余氯残留，设备易损且厂家维护不到位等问题使得使用发生器的客户评价不高。淄博康业环保科技有限公司生产的高含量二氧化氯系列产品，可以替代盐酸、氯酸钠，不用更换设备，生成的二氧化氯稳定，没有余氯残留。展现出了二氧化氯消毒的未来发展趋势。