臭氧分子呈三角形，偶极距为0.54D，是反磁性的。 在臭氧分子中，中心氧原子以SP2杂化方式与其它两个氧原子结合，键角116.8°，键长127.8PM，介于0-0单键键长148PM与0=0双键键长112PM之间。中心氧原子的价轨道有3个SP2轨道，其中一个为孤电子对占据，其余两条各有一个成单电子，用于与其它两个氧原子中的一个成单电子(自旋反向)配对，形成两个σ键，价轨道中还有一垂直于SP2 平面或σ键键轴的p轨道，其中占据一对孤电子对，而其余两个氧原子也各有一个p轨道( 占据一个价电子)与其对称性相同处于平行位置，这三个p轨道以“肩并肩”方式重叠，形成一个大π键，称之为离域π键，离域π键是由三个或三个以上原子形成的π键。