Bir oksijen sondasının çalışma prensibi, birbirinden ayrı iki gaz ortamındaki iki oksijen kısmi basıncının karşılaştırılmasıdır. Ölçüm hücresindeki zirkonyum oksidin (ZrO2) kristal kafesinde kusurlar bulunur: oksijen iyonlarının yerleşebileceği konumların bir kısmı boştur. Bu kısmi basınçları karşılaştırmak için oksijen sondasının oksijen içeriği bilinen bir gazla (ortam havası: %O2 = %20,9) beslenmesi gerekir; buna referans havası denir.
Bu seramiğin özelliği, 600 °C'nin üzerindeki sıcaklıklarda oksijen iyonlarının hareket etmesine izin vermesidir. Ölçüm elemanı böylece iletken hâle gelir. Oluşan gerilim, oksijen konsantrasyonlarının bağıl farkı ile işlem atmosferinin sıcaklığı arasındaki ilişkiyi ifade eder.
Gerilim değeri (0 ile 1200 mV arasında değişir) ölçüldükten sonra, %O2 elde etmek için oksijen konsantrasyonu Nernst denklemiyle kolayca hesaplanabilir; CO içeriği (analizle veya teorik hesapla) biliniyorsa ısıl işlem atmosferinin karbon potansiyeli (%C) de belirlenebilir.