电化学氧气传感器都是自身供电，内部由阴极，阳极和电解液组成。简单来说是一个密封容器，它里面包含有两个电极：阴极是涂有活性催化剂的一片PTFE（聚四氟乙烯），阳极是一个铅块。
电化学氧气传感器也是电池型传感器，氧气在工作电极上发生的还原反应和阳极材料发生的相应氧化反应产生电流，电流的大小和氧气的浓度成正比，通过测试电流的大小即可判定氧气浓度的大小。
传感器的氧气的流速取决于传感器顶部的毛细微孔的大小。当氧气到达工作电极时，它立刻被还原释放出氢氧根离子：O2 + 2H2O + 4e- ">4OH-
这些氢氧根离子通过电解质到达阳极（铅），与铅发生氧化反应，生成对应的金属氧化物：2Pb + 4OH- ">2PbO + 2H2O + 4e-
上述两个反应发生生成电流，电流大小相应地取决于氧气反应速度（法拉第定律），可外接一只已知电阻来测量产生的电势差，这样就可以准确测量出氧气的浓度。
