氧傳感器的工作原理與電池相似，傳感器中的氧化鋯元素起類似電解液的作用。其基本工作原理是：在一定條件下（高溫和鉑催化），利用氧化皓內外兩側的氧濃度差，產生電位差，且濃度差越大，電位差越大。大氣中氧的含量21%，濃混合燃燒后的廢氣實際上不含氧，稀混合氣燃燒后生成的廢氣或因缺火產生的廢氣中含有較多的氧，但仍比大氣中的氧少的多。

在高溫及鉑的催化下，將附著在氧傳感器上的氧氣消耗殆盡，于是就產生電壓差，濃混合氣輸出電壓接近1V，稀混合氣接近0V。根據氧傳感器的電壓信號，控制空燃比從而調整噴油脈寬，因此氧傳感器的電子控制燃油計量的關鍵傳感器。氧傳感器只有在高溫時（端部達到300℃以上）起特征才能充分體現，才能輸出電壓。它約在800℃時，對混合氣的變化反應最快。

汽車氧傳感器是電噴發動機控制系統中關鍵的反饋傳感器，是控制汽車尾氣排放、降低汽車對環境污染、提高汽車發動機燃油燃燒質量的關鍵零件，氧傳感器有二氧化鋯和二氧化鈦兩種。

氧傳感器是利用陶瓷敏感元件測量各類加熱爐或排氣管道中的氧電勢，由化學平衡原理計算出對應的氧濃度，達到監測和控制爐內燃燒空燃比，保證產品質量及尾氣排放達標的測量元件，廣泛應用于各類煤燃燒、油燃燒、氣燃燒等爐體的氣氛控制。

氧傳感器用于電子控制燃油噴射裝置的反饋控制系統，用來檢測排氣中的氧濃度與空燃比的濃稀，在發動機內進行理論空燃比（14.7：1）燃燒的監控，并向電腦輸送反饋信號。