Die Sonde besteht aus zwei Elektroden (meist Platin), zwischen denen sich ein Festelektrolyt (meist Yttrium-dotiertes Zirkondioxid) befindet. Eine der Elektroden befindet sich im Abgas, die andere außerhalb. Der Festelektrolyt stellt einen Ionenleiter für Sauerstoffionen dar - es wird eine messbare Spannung aufgebaut.