Zasada działania sondy tlenowej polega na porównaniu dwóch ciśnień cząstkowych tlenu w dwóch oddzielnych środowiskach gazowych. Tlenek cyrkonu (ZrO2) w komórce pomiarowej ma defekty sieci krystalicznej: część miejsc, które mogłyby zajmować jony tlenu, jest pusta. Aby porównać te ciśnienia cząstkowe, sondę tlenową trzeba zasilać gazem o znanej zawartości tlenu (powietrze otoczenia: %O2 = 20,9%), czyli tzw. powietrzem odniesienia.
Właściwością tej ceramiki jest umożliwianie ruchu jonów tlenu w temperaturze powyżej 600 °C. Element pomiarowy zaczyna wtedy przewodzić. Wytworzone napięcie wyraża zależność między względną różnicą stężeń tlenu a temperaturą atmosfery procesu.
Po zmierzeniu napięcia (od 0 do 1200 mV) można łatwo obliczyć stężenie tlenu za pomocą równania Nernsta, aby uzyskać %O2, lub, znając zawartość CO (z analizy lub z obliczeń teoretycznych), wyznaczyć potencjał węglowy (%C) atmosfery obróbki cieplnej.