南極臭氧洞一經發現，立即引起了科學界及整個國際社會的高度重視。科學家對這一問題進行了探索，如臭氧洞為什麼發生在南極地區？為什麼臭氧損耗的規模如此之大？為什麼每年的南極臭氧洞發生在春季？
美國科學家莫裡納和羅蘭德提出，人工合成的一些含氯和含溴的物質是造成南極臭氧洞的元兇，最典型的是氟氯碳化合物（CFC，俗稱氟裡昂）和含溴化合物哈龍（Halon）。越來越多的科學證據證實，氯和溴在平流層通過催化化學過程破壞臭氧是造成南極臭氧洞的根本原因。那麼，氟裡昂和哈龍是怎樣進入平流層，又是如何引起臭氧層破壞的呢？
我們知道，就重量而言，人為釋放的CFC和Halon的分子都比空氣分子重，但這些化合物在對流層是化學惰性的，即使最活潑的大氣組分———自由基對CFC和Halon的氧化作用也微乎其微。因此它們在對流層十分穩定，不能通過一般的大氣化學反應去除。經過一兩年的時間，這些化合物會在全球範圍內的對流層分布均勻，然後主要在熱帶地區上空被大氣環流帶入到平流層，風又將它們從低緯度地區向高緯度地區輸送，在平流層內均勻混合。
在平流層內，強烈的紫外線照射使CFC和Halon分子發生解離，釋放出高活性的原子態的氯和溴，氯和溴原子也是自由基。氯原子自由基和溴原子自由基就是破壞臭氧層的主要物質，它們對臭氧的破壞是以催化的方式進行的。溴原子自由基也以同樣的過程破壞臭氧，因此也是催化劑。據估算，一個氯原子自由基可以破壞104—105個臭氧分子，而由Halon釋放的溴原子自由基對臭氧的破壞能力是氯原子的30—60倍。而且，氯原子自由基和溴原子自由基之間還存在協同作用，即二者同時存在時，破壞臭氧的能力要大於二者簡單的加和。
但是，上述的均相化學反應並不能解釋南極臭氧洞形成的全部過程。深入的科學研究發現，臭氧洞的形成是有空氣動力學過程參與的非均相催化反應過程。所謂非均相，是指大氣中除氣態組分外，還有固相和液相的組分。人們對大氣中存在雲、霧和降雨等早已司空見慣，但這種現象一般發生在對流層。平流層乾燥寒冷，空氣稀薄，較少出現對流層這些天氣現象。但在冬天，南極地區的溫度極低，可以達到零下80攝氏度，這樣極端的低溫造成兩種非常重要的過程，一是極地的空氣受冷下沉，形成一個強烈的西向環流，稱為「極地渦旋」。該渦旋的重要作用是使南極空氣與大氣的其餘部分隔離，從而使渦旋內部的大氣成為一個巨大的反應器。另外，儘管南極空氣十分乾燥，極低的溫度使該地區仍有成雲過程，雲滴的主要成分是三水合硝酸和冰晶，稱為極地平流層雲。
實際上，當CFC和Halon進入平流層後，通常是以化學惰性的形態而存在，並無原子態的活性氯和溴的釋放。南極的科學考察和實驗室的研究都證明，化學惰性的ClONO2和HCl在平流層雲表面會發生化學反應，結果造成Cl2和HOCl2組分的不斷積累。
Cl2和HOCl是在紫外線照射下極易光解的分子，但在冬天南極的紫外光極少，Cl2和HOCl的光解機會很小。當春天來臨時，陽光返回南極地區，太陽輻射中的紫外射線使Cl2和HOCl開始發生大量的光解，產生前述的均相催化過程所需的大量的原子氯，從而造成嚴重的臭氧損耗。氯原子的催化過程可以解釋所觀測到的南極臭氧破壞的約70％，另外，氯原子和溴原子的協同機制可以解釋大約20％。隨後更多的太陽光到達南極，南極地區的溫度上升，氣象條件發生變化，結果是南極渦旋逐漸消失，南極地區臭氧濃度極低的空氣傳輸到地球的其他高緯度和中緯度地區，造成全球範圍的臭氧濃度下降。
北極也發生與南極同樣的空氣動力學和化學過程。研究發現，北極地區在每年的一月至二月生成北極渦旋，並發現有北極平流層雲的存在。在渦旋內氯基（C1O）佔氯總量的85％以上，同時測到與南極渦旋內濃度相當的溴基（BrO）的濃度。但由於北極不存在類似南極的冰川，加上氣象條件的差異，北極渦旋的溫度遠較南極高，而且北極平流層雲的量也比南極少得多，因此目前北極的臭氧層破壞還沒有達到出現又一個臭氧洞的程度。
因此，南極臭氧洞的形成是包含大氣化學、氣象學變化的非均相的複雜過程，但其產生根源是地球表面人為活動產生的氟裡昂和哈龍，曾經是一個謎團的臭氧洞得到了清晰的定量的科學解釋。但是令人憂慮的是，CFC和Halon具有很長的大氣壽命，一旦進入大氣就很難去除，這意味著它們對臭氧層的破壞會持續一個漫長的過程，臭氧層正受到來自人類活動的巨大威脅。