氧傳感器的工作原理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。

其核心原理如下：在一定條件下，如高溫和鉑催化，利用氧化鋯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。

大氣中氧含量為 21%，濃混合氣燃燒后的廢氣不含氧，稀混合氣燃燒后的廢氣含較多氧，但仍比大氣中氧少。在高溫及鉑的催化下，帶負電的氧離子吸附在氧化鋯套管內外表面。由于大氣中氧氣比廢氣中多，套管與大氣相通一側比廢氣一側吸附更多負離子，兩側離子濃度差產生電動勢。

當空燃比較低時，廢氣中氧少，陶瓷管外側氧離子少，產生約 1.0V 電動勢；空燃比為 14.7 時，電動勢約為 0.4V - 0.5V；空燃比較高時，廢氣中氧含量高，陶瓷管內外氧離子濃度差小，電動勢接近零。

氧傳感器只有在高溫時，端部達到 300°C 以上，其特性才能充分體現，才能輸出電壓。在約 800°C 時，對混合氣變化反應最快，低溫時特性會有很大變化。

氧傳感器的兩個電極輸出電壓跟尾氣中氧與大氣中氧的相對值有很好相關性，但電壓跟氧含量關系并非線性。在最佳空燃比附近最敏感，空燃比過濃或過稀時不敏感。低電壓對應高氧含量，0.1 - 0.4 伏電壓輸出表明稀混合氣，0.6 - 1.0 伏代表濃混合氣，0.45 伏時空燃比最佳。