氧探头通常利用氧化锆作为氧离子导体，在高温下通过氧浓差电池原理来测量氧分压。氧化锆在两侧不同氧浓度下产生电动势，通过能斯特公式计算氧含量。

在一些应用中，如液态铅铋合金氧气测量，氧探头被设计用于在高温范围内（200至550°C）进行氧气测量，其测量范围为10^-6至30 ppm。

氧探头有整体式和组合式两种结构。整体式结构气密性好、内阻小，但易受震动影响；组合式结构则解决了抗震问题，具有耐温度急骤变化的能力。