氧感測器的工作原理與電池相似，感測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%，濃混合燃燒後的廢氣實際上不含氧，稀混合氣燃燒後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，將附著在氧感測器上的氧氣消耗殆盡，於是就產生電壓差，濃混合氣輸出電壓接近1V，稀混合氣接近0V。根據氧感測器的電壓訊號，控制空燃比從而調整噴油脈寬，因此氧感測器的電子控制燃油計量的關鍵感測器。氧感測器只有在高溫時（端部達到300℃以上）起特徵才能充分體現，才能輸出電壓。它約在800℃時，對混合氣的變化反應最快。

小貼士

二氧化鋯氧感測器是透過電壓變化反映可燃混合氣濃度的變化，二氧化鈦氧感測器則是透過電阻變化反映可燃混合氣變化的。在發動機工況惡化時使用二氧化鋯氧感測器的電控系統無法將實際的空燃比控制在理論空燃比附近，而二氧化鈦氧感測器在發動機工況惡化的情況下也能將實際空燃比控制在理論空燃比附近。

控制單元根據氧感測器訊號在短時間內調整的噴油量（噴油脈寬）叫短期燃油修正，這個值得正負就是氧感測器輸出電壓控制的。

長期燃油修正就是控制單元根據短期燃油修正係數的變化對控制單元執行資料結構進行修正確定的值。