氮氧傳感器的外觀與汽油車的氧傳感器十分相似，甚至有人會將它們混淆。二者的布置方式和功能也很類似。不同的是，氧傳感器用于測量氧氣含量，而氮氧傳感器則用于測量氮氧化物的含量。

當被測氣體擴散進入傳感器第一測量池，第一測量池內的氧氣被排出(氧泵)，產生極限電流，通過測量極限電流可以獲得被測氣體中的氧氣濃度。同時，第一測量池內二氧化氮產生分解：NO?NO+1/2 O?，完成 NO?NO的轉換。

被測氣體繼續擴散進入傳感器第二測量池，第二測量池內一氧化氮產生分解：NO1/2 N?+1/2 O?，分解的氧氣被排出(氧泵)，產生極限電流，通過測量極限電流來獲得被測氣體中的氮氧化物濃度。

在國六階段以前，柴油車上通常只在排氣管末端裝有一個氮氧傳感器，用于監控排放至大氣中的氮氧化物含量。進入國六階段以后的車輛，氮氧傳感器增加為2個，增加的這個氮氧傳感器安裝在氧化催化轉換器（ DOC）上游，用于防止 DOC 內部的氧化還原反應影響氮氧化物的濃度測量。控制單元根據兩個傳感器信號綜合判斷尾氣凈化效率。這點是國六柴油車與國四、國五柴油車的一個顯著區別。

因此，國六階段的氮氧傳感器的“責任”比以往更大了，它的工作包括：

測量廢氣流中氮氧化物的濃度

對SCR催化器中氮氧化合物還原情況進行檢測

協助控制尿素加料量

助力車輛遵守國六法規限定的排放限值

當氮氧傳感器監測出尾氣氮氧化物含量超標時，會報故障碼，并點亮發動機故障燈，甚至限制發動機輸出扭矩。