为了使发动机正常工作，空气和燃油的比例应该在合适的范围之内。燃油过多会造成燃烧不充分、尾气中未燃成分增多；空气过多而燃油过少又会带来动力不足、燃烧不稳定等问题。氧传感器的作用就是把排气中的剩余氧气反馈给发动机控制单元，使得电脑可以判断这一轮燃烧的空燃比是否合适。
它不是直接控制喷油嘴的装置，而是一个提供信息的检测元件。
发动机控制单元会综合节气门开度、进气量、发动机转速、水温、进气温度以及氧传感器信号等数据来决定喷油脉宽（即喷油器每次开启的时间）。
在燃烧过程中，如果喷油时间过长，那么进入气缸的燃油就比较多；反之则比较少。理解氧传感器，可以从“排气里还剩多少氧气”开始。假设混合气偏稀，则说明进入气缸的空气相对多、燃油相对少、燃烧后排气中的氧气可能更多。传感器把这种变化传送给控制单元之后，电脑就会适当加大喷油量了。“如果混合气太浓”，那么排气中可以检测到的剩余氧气就减少了，系统就会相应地减少喷油。“这样的过程会不断重复下去”，它的目的不是让某次的喷油彻底固定不变，而是使发动机在各种工况下保持合理的空燃比。
但是氧传感器并不是车辆一启动就一直参与着调节。发动机刚启动的时候，排气温度还没有达到传感器正常工作的要求，控制系统会先按照预设程序和其他传感器的数据来执行控制任务。当氧气的浓度由低变高或者由高变低时，系统才会更多地使用氧传感器提供的反馈信号来进入一个完整的闭环调节状态。冷启动、急加速、大负荷等特殊工况下也存在不同于日常巡航的控制策略,不能简单地说只要看氧传感器就能决定全部喷油量。
按照结构和工作方式的不同，常见的氧传感器可以分为窄域型和宽域型。窄域型氧传感器更适合判断混合气处于偏浓还是偏稀的状态，信号变化比较明显；宽域型氧传感器能给出较广范围、细致的空燃比信息，在部分发动机控制系统中应用更广泛。不同车型、不同的发动机所用的传感器类型并不是完全相同的，不能仅仅从外形或者插头数量上就来判断它的性能和用途。
不少车辆还会装有前氧传感器和后氧传感器。三元催化器前面的氧气 sensor 主要是参与调节发动机空燃比，催化器后面的是观察催化器前后尾气变化来帮助控制系统判断排放处理效果。两者都与排气系统有关，但是职责不同，不能把后氧传感器简单地看作是前氧传感器的重复配置。
从驾驶感受上讲，如果氧传感器信号长时间不正常，则发动机控制单元会根据情况改变喷油修正策略，从而使车辆的燃油经济性、怠速稳定性以及排放性能发生改变。但是这些现象不能直接说明问题一定出在氧传感器上，因为进气系统、燃油系统、点火系统、排气泄漏等其他部件也可能会造成类似的表现。判断具体的故障原因一般要结合故障码、实时数据和车辆实际工况，不能只靠一个症状就更换零件来解决问题。
所以把氧传感器叫做发动机的“鼻子”不完全是正确的，但是这个比喻仍然可以用来理解它的位置：发动机吸入空气、喷入燃油、燃烧，氧气传感器通过排气结果给控制单元提供信息。真正做出喷油决策的是发动机控制系统提供的数据，氧传感器给出的数据是该套决策所不能缺少的一部分依据。
