氧化锆式氧传感器主要由氧化锆（ZrO2）、和护套组成。氧化锆式氧传感器有加热式的和非 加热式的两种。
氧化锆式氧传感器的工作原理如下：锆管的陶瓷体是多孔体，氧气可以渗入该多孔体固体电解质内 。温度较高时，氧气发生电离。只要锆管内（大气）外（废气）侧氧含量不一样，存在氧浓度差，则在固体电解质内部氧离子从大气一侧向排气一侧扩散，使锆管形成微电池，在锆管铂极间产生电压。当混合气稀时，排气中氧含量多，两侧氧浓度差小，产生的电压小；当混合气浓时，排气中氧含量少，CO、CH、NOx的含量较多，这些成分在锆管外表面的铂的催化作用下，与氧发生反应，消耗废气中残余的氧，使锆管外表面氧浓度变成零，这样使得锆管内、外两侧的氧浓度差突然增大，两极间产生的电压也增大。
因此，氧传感器产生的电压在过量空气系数λ=1上下产生突变，λ>1时，氧传感器输出电压几乎为零，λ<1时，氧传感器输出电压接近1V。在发动机混合气闭环控制过程中，氧传感器相当于一个浓度开关，根据混合气空燃比的变化向ECU输入宽度变化的电脉冲信号，ECU根据氧传感器反馈信号，控制喷油量，使排气中有害气体的成分减到少。