椎间盘突出症导致腰腿痛的主要原因有两方面：神经机械性受压、神经根的无菌性炎症及神经根的营养障碍和神经根传导性损害。目前认为腰椎间盘盘内及盘外注射医用臭氧治疗腰椎间盘突出症的作用机制主要是：
① 氧化蛋白多糖：此为医用臭氧治疗腰椎间盘突出症的主要机制。正常髓核由蛋白多糖、胶原纤维网和髓核细胞构成。蛋白多糖是髓核最主要的大分子结构之一，可吸收电荷至髓核基质内，使髓核基质产生高渗透压，是髓核水分高达85％的主要因素。蛋白多糖被破坏后失去固定电荷密度的特性。髓核基质渗透压下降最终导致水分丢失而萎缩、髓核体积缩小，从而降低椎间盘内压力，使症状得以消除，达到治疗的目的。而医用臭氧对软骨终板、纤维环作用较弱。俞志坚和何晓峰动物实验的病理结果显示医用臭氧对正常髓核造成影响的最终结果为水分减少，从而致使髓核体积和压力变小;大体标本可观察到髓核失去弹性、色泽改变和干涸，切开椎间盘时髓核不会外膨;电镜下髓核基质内的大泡样结构消失。
②破坏髓核细胞：Iliakis等证实了医用臭氧注入髓核组织内后，早期就能使髓核细胞出现变性，随后细胞坏死溶解。髓核细胞受到损害，必然造成蛋白多糖合成及分泌减少。
③ 抗炎作用：突出的髓核及纤维环压迫硬脊膜、神经根及周围静脉，引起回流障碍，出现渗出和组织水肿;髓核组织具有强刺激性，与神经根接触后释放大量组织胺，引起脊神经根的化学性炎症;纤维环断裂后释放的糖蛋白和β蛋白等作为抗原物质，致机体产生免疫反应。研究显示医用臭氧是通过：刺激抗氧化酶的过度表达以中和炎症反应中过量的活性氧;刺激拮抗炎症反应的细胞因子和(或)免疫抑制细胞因子(如IL-10、TGF-β)释放;刺激血管内皮细胞释放一氧化氮(N0)及血小板衍生生长因子(PDGF)等引起血管扩张，改善回流，减轻神经根周围的水肿，促进炎症吸收的作用。
④ 镇痛作用：腰椎小关节突、 受到的压力和牵引等机械刺激激活，或者被炎症因子和突出髓核所释放的化学物质(如P物质或磷酸酶A2等)激活后，敏感性提高，引起反射性的肌肉痉挛而导致下腰痛或(和)坐骨神经痛。因而，医用臭氧使髓核萎缩，减低神经根压力、减轻炎症反应。Bocci E还推测用细针注射医用臭氧治疗腰椎间盘突出症产生镇痛作用可能是一种类似于“化学针灸(chemical puncture)”的作用机制，即抑制无髓损伤感受器纤维，通过激活疼痛感受抑制机制，从而刺激抑制性中间神经元释放脑啡肽而镇痛。
