O₂センサ2は三元触媒（マニホールド）の下流に取り付けられており、排気ガス中の酸素濃度を検出して電圧信号に変え、ECMに送信している。


このセンサは試験管状のジルコニア素子でできており、内面は大気に、外面は排気ガスにさらされている。内面と外面の酸素濃度に差が生じると、0 - 1Vまでの起電力を発生する。図のように、空燃比が理論空燃比に対してリーンであるときは約0V、リッチであるときは約1Vになる。
空燃比センサ1に異常がある場合は、空燃比はO₂センサ2の信号により理論空燃比に制御される。ただし、正常な状態ではO₂センサ2はエンジン制御には使用しない。