加氯消毒的原理主要在於氯溶於水後生成的次氯酸（HOCl）和次氯酸根（OCl-）的消毒作用。
次氯酸具有強氧化性，能損害細胞膜，破壞細菌或病毒體內的酶系統，使蛋白質、RNA和DNA等物質釋放，從而導致細菌或病毒的死亡。次氯酸體積小，不帶電荷，因此能輕易穿過細胞壁，增強其殺菌效果。此外，次氯酸對病毒的致病作用在於對核酸的致死性損害。
在水中，氯氣與水反應生成次氯酸和氯離子，具體反應為Cl2+H2O=HOCl+HCl+Cl-。這個過程是可逆的，因此在次氯酸被消耗後，反應可以向相反方向進行。氯胺（一氯胺和二氯胺）也有一定的殺菌作用，但需要較高的濃度和接觸時間。
需要注意的是，氯氣本身非常不穩定，容易在光、熱或潮濕的環境下揮發，因此含氯消毒劑通常需要存放在陰涼、乾燥的地方，並在使用前稀釋。配製後的稀釋液應立即使用，以避免氯氣揮發導致殺菌效果減弱。