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，从而产生电压。
氧传感器上有四根线，其中有两根是加热用的电源线，氧传感器需要加热到800摄氏度才能正常工作加热。
氧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，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。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，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，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。
