Czujnik NOx składa się z sondy wkręconej w układ wydechowy i małego sterownika, połączonych na stałe przewodem. Sterownik czujnika przelicza pomiar i wysyła gotowy wynik do sterownika silnika przez magistralę CAN, czyli sieć, którą komunikują się moduły auta.
Element pomiarowy jest ceramiczny, na bazie tlenku cyrkonu, i ma dwie albo trzy komory. W pierwszej czujnik usuwa ze spalin tlen, a w drugiej rozkłada tlenki azotu. Prąd potrzebny do usunięcia uwolnionego z nich tlenu mówi, ile NOx było w spalinach. Przy okazji czujnik mierzy zawartość tlenu, podobnie jak sonda lambda. Działa dopiero po nagrzaniu do kilkuset stopni, dlatego ma wbudowaną grzałkę.
W autach z układem SCR pracuje zwykle jeden albo dwa czujniki. Ten przed katalizatorem SCR mówi, ile tlenków azotu wychodzi z silnika, co pomaga dobrać dawkę AdBlue. Ten za katalizatorem sprawdza efekt, a z porównania obu sterownik liczy sprawność układu. Czujnik reaguje także na amoniak, więc zbyt duża dawka płynu zawyża odczyt za katalizatorem.