Dans les moteurs équipés d’un catalyseur trois voies, la sonde lambda mesure la quantité d’oxygène résiduel des gaz d'échappement et transmet ces données à l’unité de contrôle du moteur qui pilote la richesse du mélange. Installée dans la ligne d’échappement avant le catalyseur, la sonde lambda compare toujours la teneur en oxygène des gaz d'échappement avec celle de l'air extérieur.

La sonde lambda comprend un corps en céramique. La partie extérieure de ce corps en céramique est située dans l'échappement, juste avant le catalyseur et la partie intérieure est connectée à l'air extérieur. Le corps céramique est recouvert d'une fine couche de platine micro poreux à l’intérieur et à l’extérieur. La partie extérieure, qui est exposée aux gaz d'échappement, crée un pôle négatif via la couche de platine du corps de sonde (note : Le corps est toujours négatif). L’intérieur de la sonde, relié à l’air extérieur, crée le pôle positif par la couche de platine intérieure. La différence de tension mesurée, de l’ordre du millivolt, représente la différence de teneur en oxygène entre l’air intérieur et les gaz d’échappement. Ce signal est ensuite transmis via le pôle positif à l’unité de contrôle du moteur qui régule l’allumage ou l’injection de carburant pour retrouver un niveau d’émissions acceptable. Il existe d’autres types de sondes lambda que le capteur de voltage décrit ci-dessus, comme la sonde lambda à bande large ou la sonde en céramique qui a une gamme de mesure plus large.

Depuis 2002, les constructeurs installent aussi des sondes lambda dans les véhicules diesel pour piloter plus précisément l’injection de diesel. Cela permet de réduire la consommation et réduit les émissions polluantes. La sonde lambda en conjonction avec l’unité de contrôle du moteur permet d’optimiser le pilotage de la recirculation des gaz d’échappement, la pression de suralimentation et le début de l'injection. Elle permet aussi d’éviter le phénomène de cliquetis du moteur.

La durée de vie d’une sonde lambda dépend de plusieurs facteurs. Par exemple, s’il y a de l’huile moteur dans les gaz d’échappement, ce qui peut se produire en cas de défaillance moteur ou d’un surplus d’huile moteur, ou à cause d’additifs ou de carburants de mauvaise qualité.