El principio de funcionamiento de una sonda de oxígeno es la comparación de dos presiones parciales de oxígeno en dos medios gaseosos separados. El óxido de circonio (ZrO2) que compone la célula de medición presenta defectos de la red cristalina, es decir, parte de los lugares que podrían estar ocupados por iones de oxígeno presenta lagunas. Para poder comparar estas presiones parciales, es necesario alimentar la sonda de oxígeno con un gas cuyo contenido de oxígeno es conocido (aire ambiente: %O2 = 20,9%), que es lo que se denomina aire de referencia.
Esta cerámica tiene la propiedad de permitir el desplazamiento de estos iones de oxígeno a una temperatura superior a 600°C. El elemento de medición se convierte en conductor. La tensión así generada expresa una relación entre la diferencia relativa de las concentraciones de oxígeno y la temperatura de la atmósfera de tratamiento.
Una vez medido el valor de la tensión (que varía entre 0 y 1.200 mV), resulta fácil calcular la concentración de oxígeno mediante la ecuación de Nernst para obtener un %O2 o conociendo el contenido de CO (ya sea por análisis o por cálculo teórico). De manera que se puede determinar el potencial de carbono (%C) de su atmósfera de tratamiento térmico.