O cloro gasoso é extremamente irritante e muito corrosivo, sendo a sua toxicidade dependente da quantidade de gás a que o indivíduo está exposto, da duração e da via de exposição. É tóxico sobretudo quando inalado, afectando, assim, principalmente o sistema respiratório. [2]​



  A solubilidade intermédia do cloro na água e a sua capacidade de penetração são responsáveis pelos efeitos nas vias aéreas superiores e no trato respiratório inferior. Por ser um forte agente oxidante, quando entra em contacto com as mucosas aquosas, tais como as existentes no revestimento dos pulmões, ele sofre hidrólise e gera-se ácido hipocloroso (HClO) e ácido clorídrico (HCl), de acordo com as seguintes reacções: [4]​

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Cl2 + H2O ⇔ HCl + HOCL
Cl2 + H2O ⇔ 2 HCl + [O-]
HOCl ⇔ HCl + [O-]



  Alguns estudos mostram que é provável que o cloro também tenha a capacidade de reagir com espécies reactivas de oxigénio e outras moléculas, nas vias aéreas, levando à formação de oxidantes altamente reactivos.[7]​

  Os danos no epitélio das áreas expostas podem ser prolongados após a exposição inicial ao cloro, nos casos em que é activada uma resposta imune que inicia a activação e migração de células inflamatórias como os neutrófilos. Quando os neutrófilos atingem as áreas expostas ao gás libertam enzimas proteolíticas e oxidantes para combater o antigénio, o que propaga mais profundamente os efeitos tóxicos do cloro. [8]​



  Apesar do cloro elementar ser apenas moderadamente solúvel em água, o HCl é altamente solúvel e tem como alvos principais o epitélio da conjuntiva ocular e as membranas mucosas das vias respiratórias superiores. O HClO é também altamente solúvel em água e apresenta um padrão de lesão semelhante ao HCl. Pensa-se que o HClO é responsável pela maior parte dos efeitos tóxicos. [7]​