基本元件是专用陶瓷体，即二氧化锆（ZrO2）固体电解质。陶瓷体製成试管试的管状，亦称锆管

锆管固定在带有安装螺钉的固定套中，锆管内外表面都覆盖着一层多孔性的铂膜作为电极。锆管内表面电极与大气相通，外表面则与废气接触。为了防止废气中的杂质腐蚀铂膜，在锆管外表面的薄膜上覆盖着一层多孔的氧化铝保护层，并且还加装一个防护套管。氧感测器的接线端有一个金属保护套，其上开有一孔，用于锆管内表面与大气相通，导线将锆管内表面铂极经绝缘套从感测器引出。

为了保证氧感测器具有稳定的输出信号，必须保证氧感测器处于300°C以上环境工作。因此，许多氧感测器增设了加热器。

氧化锆是一种具有氧离子传导性的固体电解质，氧化锆在高温下具有这样一种特性，即当内外侧的氧浓度差较大时，就会产生电动势。大气一侧和汽车排出废气一侧的氧浓度及氧分压是不同的。氧离子从氧气分压高的一侧（大气侧）移向氧气分压低的一侧（汽车排出废气侧），结果，在电极之间产生电动势。