氧气传感器的工作原理与干电池相似，传感器中的氧化锆元素起类似电解液的作用。其基本工作原理是：在一定条件下(高温和铂催化)，利用氧化锆内外两侧的氧浓度差，产生电位差，且浓度差越大，电位差越大。大气中氧的含量为21%，浓混合气燃烧后的废气实际上不含氧，稀混合气燃烧后生成的废气或因缺火产生的废气中含有较多的氧，但仍比大气中的氧少得多。 在高温及铂的催化下，带负电的氧离子吸附在氧化锆套管的内外表面上。由于大气中的氧气比废气中的氧气多，套管上与大气相通一侧比废气一侧吸附更多的负离子，两侧离子的浓度差产生电动势。当套管废气一侧的氧浓度低时，在电极之间产生一个高电压(0。6～1V)，这个电压信号被送到ECU放大处理，ECU把高电压信号看作浓混合气，而把低电压信号看作稀混合气。根据氧传感器的电压信号，电脑按照尽可能接近14.7：1的理论*佳空燃比来稀释或加浓混合气。因此氧传感器是电子控制燃油计量的关键传感器。氧传感器只有在高温时(端部达到300°C以上)其特性才能充分体现，才能输出电压。它在约800°C时，对混合气的变化反应*快，而在低温时这种特性会发生很大变化。

氧气传感器的两个电极的输出电压跟尾气中氧与大气中氧的相对值呈很好的相关性。然而这个电压跟氧含量的关系并不是线性的。氧传感器在*佳空燃比附近*敏感（很小的空燃比变化便会产生很大的输出电压变化），而在空燃比过浓或过稀时不敏感。低电压对应高氧含量，所以0.1－0.4伏的电压输出表明稀混合比，而0.6－1.0伏代表浓混合比。当氧传感器输出电压为0.45伏的时候，空燃比*佳。