Kaltes Plasma ist ein teilweise ionisiertes Gas, das aus einer Vielzahl geladener und neutraler Teilchen besteht. Es enthält sog. reaktive Spezies (RONS – Reactive Oxygen and Nitrogen Species), die den größten Teil der Nutzlast von Kaltplasma ausmachen. Zu diesen „aktiven Substanzen“ gehören u.a. reaktive Sauerstoff- (ROS) und Stickstoffspezies (RNS), wie Ozon (O₃), Wasserstoffperoxid (H₂O₂), Stickstoffmonoxid (NO) und Hydroxylradikale (OH). Diese Spezies haben eine stark desinfizierende Wirkung und spielen eine entscheidende Rolle in der Plasma-Medizin und der Wasser- bzw. Luftreinigung.

Elektronen werden durch elektrische Felder beschleunigt und stoßen mit Neutralgasatomen zusammen, wodurch Ionisation, Dissoziation und Anregung stattfinden. Ionen, die im Plasma entstehen, können ebenfalls chemische Reaktionen antreiben, insbesondere bei der Oberflächenmodifikation von Materialien oder der Abtötung von Mikroorganismen. Aufgrund der unterschiedlichen Temperaturen der Elektronen und schweren Teilchen gibt es nur eine geringe Wärmeentwicklung im Plasma. In kaltem Plasma bleibt die Gesamtenergie immer gering genug, um thermische Schäden an lebendem Gewebe zu vermeiden.

Kaltes Plasma erzeugt auch zu einem gewissen Anteil Ultraviolettstrahlung (UV), die zur Sterilisation beitragen kann. Diese Strahlung wirkt zusätzlich synergistisch mit den reaktiven Spezies, um Mikroorganismen zu zerstören. Hochfrequente elektrische Felder halten das Kalte Plasma stabil und steuern die Ionisation. Diese Felder beeinflussen geladene Teilchen im Plasma und können gezielt für Materialbearbeitung oder Zellstimulation genutzt werden.

Kaltes Plasma emittiert außerdem oft sichtbares Licht, das je nach verwendeten Gasen in verschiedenen Farben erscheinen kann. Diese Leuchterscheinungen entstehen durch die Rekombination von Elektronen mit Ionen oder durch den Übergang angeregter Atome auf ein niedrigeres Energieniveau.