Принцип работы кислородного зонда — сравнение двух парциальных давлений кислорода в двух разделённых газовых средах. Оксид циркония (ZrO₂) в измерительной ячейке имеет дефекты кристаллической решётки: часть позиций, которые могли бы занимать ионы кислорода, свободна. Чтобы сравнить эти парциальные давления, в кислородный зонд нужно подавать газ с известным содержанием кислорода (окружающий воздух: %O₂ = 20,9 %), его называют эталонным воздухом.
Свойство этой керамики — пропускать ионы кислорода при температуре выше 600 °C. Измерительный элемент становится проводником. Возникающее напряжение отражает соотношение между относительной разницей концентраций кислорода и температурой атмосферы процесса.
Измерив напряжение (от 0 до 1200 мВ), можно легко рассчитать концентрацию кислорода по уравнению Нернста и получить %O₂, а зная содержание CO (по анализу или теоретическому расчёту), определить углеродный потенциал (%C) атмосферы термообработки.