氧传感器检测发动机尾气排放中的含氧量，并向电子控制单元(ECU)输送相应的电压信号，反映空气燃油混合比是稀还是浓。ECU会相应控制喷油量和进气量，使发动机运行在空气燃油混合比（λ=1）状态，从而为三元催化器的尾气处理创造理想的条件。如果混合气太浓（λ<1），必须减少燃油量，如果太稀薄（λ>1），则要增加燃油量。
现今废气排放标准愈来愈严格。因此严密监控废气排放以及据此调整发动机控制变得日益重要。这正是氧传感器要解决的问题。氧传感器测量排放废气中的氧含量，将信号反馈给电子控制单元，实现闭环控制，从而优化进入发动机燃烧的空气和燃油的比率，使燃烧更充分，减少废气排放。
在传统的发动机管理系统中，仅有一只氧传感器，称控制氧传感器，安装在三元催化器的上游位置。较新款的车配有诊断氧传感器，安装在三元催化器下游端。主要原因：控制氧传感器因老化，其向ECU输送的电压信号曲线会发生偏移。诊断氧传感器会检测控制氧传感器是否仍然处于工作状态。然后ECU就可计算出矫正偏移所需的补偿量。
