Tầng ozone được phát hiện vào năm 1913 bởi các nhà vật lý người Pháp là Charles Fabry và Henri Buisson. Qua các đo lường của mặt trời, họ nhận thấy rằng tia từ bề mặt nó tới Trái Đất phù hợp với quang phổ của vật thể màu đen có nhiệt độ khoảng 5,500–6,000 K (5,227–5,727 ℃), loại trừ tia dưới 310 nm ở phần cực tím của phổ. Họ kết luận rằng tia bị mất do bị hấp thụ bởi một chất gì đó trong khí quyển. Cuối cùng, phổ của tia thiếu phù hợp với một hợp chất duy nhất là ozone. Tính chất của nó được khám phá chi tiết bởi nhà khí tượng học người Anh là G. M. B. Dobson, người đã phát triển một thiết bị đo quang phổ đơn giản (Dobsonmeter) để đo ozone trong tầng bình lưu từ mặt đất. Từ năm 1928 đến 1958, ông Dobson đã thiết lập một hệ thống theo dõi ozone trên toàn cầu, một công việc mà vẫn tiếp tục cho đến ngày nay. Đơn vị Dobson, một đơn vị đo tiện lợi cho lượng ozone trong khí quyển, được đặt tên để vinh danh ông.
Tầng ozone hấp thụ từ 97 đến 99% ánh sáng cực tím có tần số trung bình của Mặt trời (từ bước sóng khoảng 200 nm đến 315 nm), nếu không sẽ ảnh hưởng đến các sinh vật sống gần bề mặt.
Năm 1976, nghiên cứu về khí quyển cho thấy tầng ozone đã bị các hóa chất từ ngành công nghiệp, đặc biệt là chlorofluorocarbons (CFC), làm suy giảm. Lo ngại về tăng bức xạ UV do mất ozone đe dọa sự sống trên Trái Đất, gồm cả việc tăng ung thư da ở con người và các vấn đề sinh thái khác, đã dẫn đến cấm các hóa chất này. Các bằng chứng gần đây cho thấy suy giảm ozone đã chậm lại hoặc dừng lại. Đại hội đồng Liên Hợp Quốc đã chỉ định ngày 16 tháng 9 là Ngày quốc tế bảo vệ tầng ozone.
Sao Kim cũng có tầng ozone mỏng ở độ cao 100 km so với bề mặt hành tinh.