電化學傳感器通過與被測氣體發(fā)生反應并產生與氣體濃度成正比的電信號來工作。

典型的電化學傳感器由傳感電極（或工作電極）和反電極組成，并由一個薄電解層隔開。

氣體首先通過微小的毛管型開孔與傳感器發(fā)生反應，然后是疏水屏障層，最終到達電極表面。采用這種方法可以允許適量氣體與傳感電極發(fā)生反應，以形成充分的電信號，同時防止電解質漏出傳感器。

穿過屏障擴散的氣體與傳感電極發(fā)生反應，傳感電極可以采用氧化機理或還原機理。這些反應由針對被測氣體而設計的電極材料進行催化。通過電極間連接的電阻器，與被測氣濃度成正比的電流會在正極與負極間流動。

測量該電流即可確定氣體濃度。由于該過程中會產生電流，電化學傳感器又常被稱為電流氣體傳感器或微型燃料電池。在實際中，由于電極表面連續(xù)發(fā)生電化發(fā)應，傳感電極電勢并不能保持恒定，在經過一段較長時間后，它會導致傳感器性能退化。為改善傳感器性能，人們引入了參考電極。

參考電極安裝在電解質中，與傳感電極鄰近。固定的穩(wěn)定恒電勢作用于傳感電極。參考電極可以保持傳感電極上的這種固定電壓值。參考電極間沒有電流流動。氣體分子與傳感電極發(fā)生反應，同時測量反電極，測量結果通常與氣體濃度直接相關。施加于傳感電極的電壓值可以使傳感器針對目標氣體。