氧傳感器實質上是氧電池，陰極為氧電極，陽極為適當的金屬。因氧需借助金屬放電，通常這種氧電池的陰極為金，陽極為鉛，內充弱酸電解液，并以覆膜與樣氣分隔，氧能通過覆膜進入傳感器而電解質不外溢。在金鉛電極處，氧分子產生化學反應，這個化學反應過程由電荷的收集而產生可測量的電流。其反應式如下：

陰極:O₂ + 4H⁺ + 4e^- →2H₂O

陽極:2Pb + 2H₂O →2PbO + 4H⁺ + 4e^- 

電池總反應:O₂ + 2Pb →2PbO

覆膜原電池式氧傳感器是一種電流型測量器件,它可用擴散電流模型來進行描述,其工式如下：

                   i= nFAD/l·c………………… (1)

式中:

 n 為反應電子數

 F 為法拉第常數

 A 為陰極表面積

D 為氧擴散系數

 l 為透氣膜外表至陰極表面的距離

c 為溶氧濃度

當電池的材料、結構確定時,在一定溫度下,式(1) 可簡化為：

                  I = k·c………………… (2)

由式（2）可以看出，傳感器輸出的電流與氧濃度成正比,為線性元件。