Oltre 2.400 composti naturali a base di cloro permettono agli organismi viventi, da quelli più semplici come alghe, funghi e batteri, a quelli più complessi come piante e mammiferi, di espletare le loro funzioni vitali e di compiere processi di trasformazione. Ad oggi si sa che funghi e piante terrestri producono oltre 300 diversi composti clorurati, che vanno dal cloro metano rilasciato dai funghi che decompongono il legno ai complessi clorurati di poliacetilene formati dalle piante della famiglia Aster.
Il cloro è considerato assieme a ferro e zinco, uno dei sette micronutrienti indispensabili per le piante terrestri e acquatiche e svolge un’importante funzione nei meccanismi di fotosintesi clorofilliana e di osmosi (movimento di acqua o soluti nelle cellule), la bilancia ionica necessaria alle piante per captare gli elementi minerali. Sintomi di mancanza di cloro includono avvizzimento, radici tozze, clorosi (ingiallimento) e tendenza al color bronzo. In alcune piante possono diminuire gli odori.
Molti vegetali utilizzano il cloro come difesa naturale di tipo chimico contro insetti ed erbivori: un prodotto biosintetizzato da un'alga marina, la teflairina, è letale per numerose larve di insetti a concentrazioni molto basse, ed è strutturalmente simile, ma tre volte più potente, a molti degli antiparassitari clorurati ottenuti per sintesi.
Nel corpo umano il cloro occupa il decimo posto per quantità tra i 15 elementi che ne costituiscono il 99,5% della massa. Cloruro di sodio e, in misura minore, cloruro di potassio, sono sali minerali nutrienti. Il 70% del cloro si trova nel liquido extracellulare, sotto forma di ione cloruro (Cl-) il rimanente si ritrova a livello del tessuto osseo e dei denti, nel tessuto connettivo e nel liquido intracellulare. Lo ione cloruro svolge un ruolo importante nella regolazione della pressione arteriosa, nella trasmissione dell'impulso nervoso, nell'equilibrio acido-base e del bilancio elettrolitico; nel succo gastrico viene secreto come acido cloridrico (HCl), grazie al quale avviene una prima "demolizione" degli alimenti ingeriti. È molto recente poi la scoperta che i globuli bianchi possono svolgere la loro importante funzione fisiologica di difesa anche grazie alla produzione di cloro (Cl2) e altri composti del cloro altamente reattivi.
In alcuni studi effettuati sugli animali, la carenza di cloro ha dimostrato un ritardo nella crescita. Se il cloro non viene incluso nel latte in polvere per i bambini, si possono manifestare alcalosi metabolica, ipovolemia (diminuzione del volume di sangue circolante) e perdita di potassio nelle urine. Possono presentarsi anche difetti psicomotori e perdita della memoria. Tutti questi sintomi spariscono se il cloro viene reincluso nella dieta.