光催化劑（當前以為TiO2使用廣泛）具有區別于金屬或絕緣物質的特別的能帶結構，即在價帶和導帶之間存在一個禁帶，當光子能量高于光催化劑吸收閾值的光照射光催化劑時，光催化劑的價帶電子發生帶間躍遷，即從價帶躍遷到導帶，從而產生光致電子(e-)和空穴(h+)。此時吸附在光催化劑（通產為納米顆粒態）表面的溶解氧俘獲電子形成活性氧離子，而空穴將吸附在催化劑表面的氫氧根離子和水氧化成羥基自由基。而活性氧離子和羥基自由基具有很強的氧化性，能將絕大多數的有機物氧化破壞，甚至也能分解一些無機物，從而使催化劑表面附近的污染物降解。