氧傳感器一旦出現故障，將使電子燃油噴射系統的電腦不能得到排氣管中氧濃度的信息，因而不能對空燃比進行反饋控制，會使發動機油耗和排氣污染增加，發動機出現怠速不穩、缺火、喘振等故障現象。因此，必須及時地排除故障或更換。
1、氧傳感器中毒：氧傳感器中毒是經常出現的且較難防治的一種故障，尤其是經常使用含鉛汽油的汽車，即使是新的氧傳感器，也只能工作幾千公里。如果只是輕微的鉛中毒，接著使用一箱不含鉛的汽油，就能消除氧傳感器表面的鉛，使其恢復正常工作。但往往由于過高的排氣溫度，而使鉛侵入其內部，阻礙了氧離子的擴散，使氧傳感器失效，這時就只能更換了。
另外，氧傳感器發生硅中毒也是常有的事。一般來說，汽油和潤滑油中含有的硅化合物燃燒后生成的二氧化硅，硅橡膠密封墊圈使用不當散發出的有機硅氣體，都會使氧傳感器失效，因而要使用質量好的燃油和潤滑油。修理時要正確選用和安裝橡膠墊圈，不要在傳感器上涂敷制造廠規定使用以外的溶劑和防粘劑等。
2、積碳：由于發動機燃燒不好，在氧傳感器表面形成積碳，或氧傳感器內部進入了油污或塵埃等沉積物，會阻礙或阻塞外部空氣進入氧傳感器內部，使氧傳感器輸出的信號失準，ECU不能及時地修正空燃比。產生積碳，主要表現為油耗上升，排放濃度明顯增加。此時，若將沉積物清除，就會恢復正常工作。
3、氧傳感器陶瓷碎裂：氧傳感器的陶瓷硬而脆，用硬物敲擊或用強烈氣流吹洗，都可能使其碎裂而失效。因此，處理時要特別小心，發現問題及時更換。
4、加熱器電阻絲燒斷：對于加熱型氧傳感器，如果加熱器電阻絲燒蝕，就很難使傳感器達到正常的工作溫度而失去作用。更換加熱器電阻絲。
5、氧傳感器內部線路斷脫：接上內部線路。
