二氧化氯的制备方法有很多种，在水处理行业中，一般用氯、盐酸或稀硫酸与亚氯酸钠或氯酸钠反应的办法生产，还有使用次氯酸钠酸化后与亚氯酸钠合成二氧化氯的。反应式分别如下：

2NaClO3 + 2NaCl + 2H2SO4 → 2ClO2 + Cl2 + 2Na2SO4 + 2H2O

Cl2 + 2NaClO2 → 2ClO2 + 2NaCl

5NaClO2 + 4HCl → 4ClO2 + 5NaCl + 2H2O

10NaClO2 + 5H2SO4 → 8ClO2 + 5Na2SO4 + 4H2O + 2HCl

NaClO + 2HCl + 2NaClO2 → 2ClO2 + 3NaCl + H2O

使用氯和亚氯酸钠合成二氧化氯时，先调制pH﹤2.5的氯水溶液，再和一定量的10%亚氯酸钠溶液一起进入反应室，在反应室中充分混合和反应，生成二氧化氯。理论上，每10g亚氯酸钠加3.9g氯，可生成7.5g二氧化氯。为了防止未起反应的亚氯酸钠被带入水中，通常要加入比理论值多的过量氯。

其他方法与上述方法的操作基本类似，为保证反应过程的安全性，酸和氯酸钠或次氯酸钠都配成水溶液，也都是要加入过量的酸，以提高氯酸钠或次氯酸钠的转化率。生成的ClO2溶液可按照合适的投加量直接加到水中进行消毒。

国内市场上有许多使用电解法生产二氧化氯的设备，但实际上，这些设备制造的所谓二氧化氯至多是二氧化氯和氯的复合物，不可能彻底解决氯类消毒剂会产生氯代烃的问题，而且已经有使用复合二氧化氯时发生爆炸的事例。