燃燒室是RTO的重要組成部分，其設計優劣直接決定了RTO的處理效率和達標情況，燃燒室的結構和尺寸大小受制于燃燒溫度、停留時間及廢氣流量等因素。燃燒室的內襯材料一般為陶瓷纖維等耐火絕熱材料，可以承受短時 1200℃的高溫。
燃燒溫度主要指燃燒室可能達到的溫度，除了和廢氣的成分、性質及其含量相關外，還與廢氣進出燃燒室所帶的熱焓、廢氣污染物的燃燒熱值以及燃燒室內外的傳熱過程等有關，燃燒溫度一般在 760℃～980℃之間。
為使有機廢氣燃燒獲得很高的處理效率，要求有機廢氣在燃燒室內保持一個最低的停留時間，通常是 0.3～1.0s 之間，可保證一般工況下的VOCs基本處理殆盡。理論上，若燃燒室溫度越高、停留時間越長，則有機廢氣的處理效率越高。但若是延長停留時間以提高凈化率，燃燒室容積就要隨之增加。從凈化效果方面考慮結合實際操作，建議有機廢氣的滯留時間一般不小于 0.75s，當然，有機化工的涉VOCs廢氣在RTO的停留時間需要設計更長一些。有機廢氣燃燒室內駐留時間可按公式如下得出：
