氧传感器失效的主要原因是传感元件老化和中毒。氧传感器老化的主要原因是传感元件局部表面温度过高。氧传感器的传感元件受到污染而失效的现象称为中毒。氧传感器中毒主要是指铅中毒、硅中毒、和磷中毒。
氧传感器老化
　　在发动机利用氧传感器进行闭环控制的过程中，混合气的空燃比总是控制在理论空燃比附近，排气中几乎没有过剩的燃油，但是发动机刚刚起动（特别是冷车起动）之后（或大负荷状态工作时），为了快速预热发动机（或增大发动机输出功率），需要供给足够的燃油，排气中过剩的燃油就会在氧传感器的表面产生燃烧反应，一方面是形成碳粒而造成氧传感器压力传感器表面的保护剥落，另一方面是使传感元件局部表面温度过高（超过1000oC）而加速传感器老化。
铅中毒
　　燃油或润滑油添加剂中的铅离子与氧传感器的铂电极发生化学反应，导致催化剂铂的催化性能降低的现象，称为铅中毒。虽然现在都使用无铅汽油，大大减少了氧传感器铅中毒的机率。但是，由于燃油或润滑油的添加剂中含有多种铅化合物，氧传感器的铅中毒也是不可避免的。
硅中毒
　　发动机上的硅密封胶、硅树脂成型部件、铸件内的硅添加剂等都有硅离子，这些硅离子会污染氧传感器的外侧电极，氧传感器内部端子处密封用的硅橡胶会污染内侧电极。硅离子与氧传感器的铂电极发生化学反应而导致催化剂铂的催化性能降低的现象，称为硅中毒。
磷中毒
　　在传感器表面，磷很少以纯磷状态析出，而是以某种化合物状态析出，这些磷化物污染氧传感器的现象，称为磷中毒。磷化物的应用很广，可以用作润滑剂、防锈剂和清洗剂。在发动机磨合期间或活塞环磨损之后，发动机润滑油添加剂中的磷化物就会窜入气缸中燃烧并随排气排出。在低温状态下，磷化物是以微粒子状态析出并沉淀在传感器保护层的表面将气孔堵塞而导致传感器中毒；在高温状态下，磷化物会附着在氧传感器以及三元催化器表面使其受到污染。
　　由于，氧传感器的老化和中毒是不可避免的。因此当汽车行驶一定里程（一般为80000Km）后，应当更换氧传感器。