氯气可以消毒自来水。氯气之所以能够消毒，原因就在于氯气融于水后能够形成次氯酸，而次氯酸具有强氧化性，导致微生物病菌中的蛋白质合成酶被破坏，从而使病菌死亡。我国对自来水消毒剂的含量做出了严格的规定，自来水在出厂时的氯含量是0.05-4mg/L之间，因此，自来水中的余氯只要是在国家规定的范围内就可以认为是安全的。
氯气是化学工业用于生产次氯酸钠、氯化铝、三氯化铁、漂白粉、溴素、三氯化磷等无机化工产品，还用于生产有机氯化物，如氯乙酸、环氧氯丙烷、一氯代苯等。也用于生产氯丁橡胶、塑料及增塑剂。日用化学工业用于生产合成洗涤剂原料烷基磺酸钠和烷基苯磺酸钠等。
氯气溶于水，与水反应生成次氯酸和盐酸，在整个消毒过程中起主要作用的是次氯酸。对产生臭味的无机物来说，它能将其彻底氧化消毒，对于有生命的天然物质如水藻，细菌而言，它能穿透细胞壁，氧化其酶系统（酶为生物催化剂）使其失去活性，使细菌的生命活动受到障碍而死亡。
次氯酸本身接近中性，容易接近细菌体而显示出良好的灭菌效果，次氯酸根离子也具有一定的消毒作用，但它带负电荷而难于接近细菌体（细菌体带负电荷），因而较之次氯酸，其灭菌效果要差得多，所以氯气消毒效果要比采用漂白粉消毒更佳。