氧传感器实质上是氧电池，阴极为氧电极，阳极为适当的金属。因氧需借助金属放电，通常这种氧电池的阴极为金，阳极为铅，内充弱酸电解液，并以覆膜与样气分隔，氧能通过覆膜进入传感器而电解质不外溢。在金铅电极处，氧分子产生化学反应，这个化学反应过程由电荷的收集而产生可测量的电流。其反应式如下：
阴极:O2 + 4H+ + 4e- →2H2O
阳极:2Pb + 2H2O →2PbO + 4H+ + 4e-
电池总反应:O2 + 2Pb →2PbO
覆膜原电池式氧传感器是一种电流型测量器件,它可用扩散电流模型来进行描述,其工式如下：
i= nFAD/l·c………………… (1)
式中:
n 为反应电子数
F 为法拉第常数
A 为阴极表面积
D 为氧扩散系数
l 为透气膜外表至阴极表面的距离
c 为溶氧浓度
当电池的材料、结构确定时,在一定温度下,式(1) 可简化为：
I = k·c………………… (2)
由式（2）可以看出，传感器输出的电流与氧浓度成正比,为线性元件。