Szczegółowa budowa i zasada działania Działanie sondy lambda opiera się na prawie sformułowanym przez Walthera Nernsta (równanie Nernsta). Sonda lambda, czyli ogniwo galwaniczne zbudowane z materiału ceramicznego – dwutlenku cyrkonu, na którym napylone są po obu jego stronach cienkie warstwy platyny, zostało opracowane pod koniec lat 60. XX wieku w Robert Bosch GmbH przez dr. Güntera Baumana. Sondę umieszcza się w układzie wydechowym w taki sposób, że jedna strona urządzenia styka się z gorącymi gazami spalinowymi, osiągającymi w tym miejscu temperaturę około 300 °C, a druga strona ma kontakt z powietrzem z otoczenia.

Spiek ceramiczny dwutlenku cyrkonu w temperaturze powyżej 300 °C staje się swoistym elektrolitem zdolnym do przewodnictwa jonowego. W celu utrzymania odpowiedniej temperatury, niektóre sondy mają grzałkę. Warstwy platyny na jego powierzchni pełnią rolę elektrod, przy czym ich potencjał elektryczny jest funkcją stężenia tlenu w gazach, z którymi się stykają. Im większe jest stężenie tlenu w spalinach, tym niższe napięcie generowane jest na sondzie, i na odwrót. Przy dużej różnicy stężenia tlenu po obu stronach ogniwa generuje ono siłę elektromotoryczną dochodzącą do 1 V.