氧化鋯式氧傳感器的基本元件是氧化鋯陶瓷管（固體電解質），亦稱鋯管。鋯管固定在帶有安裝螺紋的固定套中，內外表面均覆蓋著一層多孔性的鉛膜，其內表面與大氣接觸，外表面與廢氣接觸。氧化鋯傳感器的接線端有一個金屬護套，其上開有一個用于鋯管內腔與大氣相通的孔；電線將鋯管內表面鉑極經絕緣套從此接線端引出。
氧化鋯探頭在溫度超過300℃后，才能進行正常工作。早期使用的氧傳感器靠排氣加熱，這種傳感器須在發動機起動運轉數分鐘后才能開始工作，它只有一根接線與ECU相連?，F在，大部分汽車使用帶加熱器的氧傳感器，這種傳感器內有一個電加熱元件，可在發動機起動后的20-30s內迅速將氧傳感器加熱至工作溫度。它有三根接線，一根接ECU，另外兩根分別接地和電源。
鋯管的陶瓷體是多孔的，滲入其中的氧氣，在溫度較高時發生電離。由于鋯管內、外側氧含量不一致，存在濃差，因而氧離子從大氣側向排氣一側擴散，從而使鋯管成為一個微電池，在兩鉑極間產生電壓。當混合氣的實際空燃比小于理論空燃比，即發動機以較濃的混合氣運轉時，排氣中氧含量少，但CO、HC、H2等較多。這些氣體在鋯管外表面的鉛催化作用下與氧發生反應，將耗盡排氣中殘余的氧，使鋯管外表面氧氣濃度變為零，這就使得鋯管內、外側氧濃差加大，兩鉛極間電壓陡增。因此，鋯管氧傳感器產生的電壓將在理論空燃比時發生突變：稀混合氣時，輸出電壓幾乎為零；濃混合氣時，輸出電壓接近1V。
要準確地保持混合氣濃度為理論空燃比是不可能的。實際上的反饋控制只能使混合氣在理論空燃比附近一個狹小的范圍內波動，故氧傳感器的輸出電壓在0.1-0.8V之間不斷變化（通常每10s內變化8次以上）。如果氧傳感器輸出電壓變化過緩（每1Os少于8次）或電壓保持不變（不論保持在高電位或低電位），則表明氧傳感器有故障，需檢修。
