椎間盤突出症導致腰腿痛的主要原因有兩方面：神經機械性受壓、神經根的無菌性炎症及神經根的營養障礙和神經根傳導性損害。目前認為腰椎間盤盤內及盤外注射醫用臭氧治療腰椎間盤突出症的作用機制主要是：
① 氧化蛋白多糖：此為醫用臭氧治療腰椎間盤突出症的主要機制。正常髓核由蛋白多糖、膠原纖維網和髓核細胞構成。蛋白多糖是髓核最主要的大分子結構之一，可吸收電荷至髓核基質內，使髓核基質產生高滲透壓，是髓核水分高達85％的主要因素。蛋白多糖被破壞後失去固定電荷密度的特性。髓核基質滲透壓下降最終導致水分丟失而萎縮、髓核體積縮小，從而降低椎間盤內壓力，使症狀得以消除，達到治療的目的。而醫用臭氧對軟骨終板、纖維環作用較弱。俞志堅和何曉峰動物實驗的病理結果顯示醫用臭氧對正常髓核造成影響的最終結果為水分減少，從而致使髓核體積和壓力變小;大體標本可觀察到髓核失去彈性、色澤改變和乾涸，切開椎間盤時髓核不會外膨;電鏡下髓核基質內的大泡樣結構消失。
②破壞髓核細胞：Iliakis等證實了醫用臭氧注入髓核組織內後，早期就能使髓核細胞出現變性，隨後細胞壞死溶解。髓核細胞受到損害，必然造成蛋白多糖合成及分泌減少。
③ 抗炎作用：突出的髓核及纖維環壓迫硬脊膜、神經根及周圍靜脈，引起迴流障礙，出現滲出和組織水腫;髓核組織具有強刺激性，與神經根接觸後釋放大量組織胺，引起脊神經根的化學性炎症;纖維環斷裂後釋放的糖蛋白和β蛋白等作為抗原物質，致機體產生免疫反應。研究顯示醫用臭氧是通過：刺激抗氧化酶的過度表達以中和炎症反應中過量的活性氧;刺激拮抗炎症反應的細胞因子和(或)免疫抑制細胞因子(如IL-10、TGF-β)釋放;刺激血管內皮細胞釋放一氧化氮(N0)及血小板衍生生長因子(PDGF)等引起血管擴張，改善迴流，減輕神經根周圍的水腫，促進炎症吸收的作用。
④ 鎮痛作用：腰椎小關節突、 受到的壓力和牽引等機械刺激激活，或者被炎症因子和突出髓核所釋放的化學物質(如P物質或磷酸酶A2等)激活後，敏感性提高，引起反射性的肌肉痙攣而導致下腰痛或(和)坐骨神經痛。因而，醫用臭氧使髓核萎縮，減低神經根壓力、減輕炎症反應。Bocci E還推測用細針注射醫用臭氧治療腰椎間盤突出症產生鎮痛作用可能是一種類似於“化學針灸(chemical puncture)”的作用機制，即抑制無髓損傷感受器纖維，通過激活疼痛感受抑制機制，從而刺激抑制性中間神經元釋放腦啡肽而鎮痛。
