In een NOx-sensor wordt de NOx door een katalytisch actieve elektrode gescheiden in stikstof en zuurstof. Het meten van de hoeveelheid zuurstof gebeurt op dezelfde wijze als bij een breedband of lineaire lambdasensor. Er is dus een verschil en een overeenkomst tussen de twee typen sensoren.

De NOx-sensor heeft twee kamers. In de eerste kamer (die op die van een breedbandsensor lijkt) wordt door middel van een zogenaamde pompstroom het zuurstofgehalte in het uitlaatgas op ongeveer 10 ppm gehouden. De stroom die daarvoor nodig is, is omgekeerd evenredig met de lucht-brandstofverhouding en kan worden gebruikt om het NOx-signaal te corrigeren afhankelijk van de gemeten lucht-brandstofverhouding. In de tweede kamer vindt de NOx-reactie, het scheiden in stikstof en zuurstof, plaats. De stroom die nodig is om de omgeving van de platina-rhodium elektrode zuurstofvrij te houden, is evenredig met de NOx-concentratie en levert dus het meetsignaal.

Het hoofdnadeel van dit type NOx-sensor is de gevoeligheid voor ammoniak (NH3). In de eerste kamer treedt namelijk een oxidatie van NH3 op, die het meetsignaal verstoort.