氧传感器的工作原理与电池相似，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），利用氧化皓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21%，浓混合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的多。
在高温及铂的催化下，将附着在氧传感器上的氧气消耗殆尽，于是就产生电压差，浓混合气输出电压接近1V，稀混合气接近0V。根据氧传感器的电压信号，控制空燃比从而调整喷油脉宽，因此氧传感器的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℃以上）起特征才能充分体现，才能输出电压。它约在800℃时，对混合气的变化反应最快。
汽车氧传感器是电喷发动机控制系统中关键的反馈传感器，是控制汽车尾气排放、降低汽车对环境污染、提高汽车发动机燃油燃烧质量的关键零件，氧传感器有二氧化锆和二氧化钛两种。
氧传感器是利用陶瓷敏感元件测量各类加热炉或排气管道中的氧电势，由化学平衡原理计算出对应的氧浓度，达到监测和控制炉内燃烧空燃比，保证产品质量及尾气排放达标的测量元件，广泛应用于各类煤燃烧、油燃烧、气燃烧等炉体的气氛控制。
氧传感器用于电子控制燃油喷射装置的反馈控制系统，用来检测排气中的氧浓度与空燃比的浓稀，在发动机内进行理论空燃比（14.7：1）燃烧的监控，并向电脑输送反馈信号。