Лямбда-зонд (кислородный датчик, или О2-датчик) устанавливается перед каталитическим нейтрализатором. Керамическая головка датчика снаружи находится в потоке отработавшего газа и изнутри связана с наружным воздухом. Вследствие разности значений содержания кислорода в отработавшем газе и в воздухе в датчике вырабатывается напряжение, которое при определенном остаточном содержании кислорода в отработавшем газе резко увеличивается. При недостатке кислорода, т.е. богатой горючей смеси, напряжение составляет 800–1000 мВ. При наличии бедной горючей смеси оно может достигать уровня 100 мВ.

Сигналы напряжения, создаваемые лямбда-зондом, передаются на блок управления системы приготовления горючей смеси, который на основе этих данных запускает процесс лямбда-регулирования, поддерживающее соотношение топливовоздушной смеси на необходимом уровне.

Лямбда-зонд реагирует на колебания кислорода в зависимости от своей рабочей температуры по-разному: при 300° С это происходит в течение 1 с, при 60° С — уже за 50 мс. Благодаря встроенному нагревательному элементу может достаточно быстро достигаться наиболее оптимальная температура — 60° С. Помимо этого датчик должен как можно дальше располагаться от двигателя, чтобы даже при продолжительной полной нагрузке в нем не возникали повреждения из-за перегрева двигателя.