光学溶解氧传感器头部覆盖一层荧光物质，传感器中的LED光源发出一束蓝色光。照射在荧光物质上。

荧光物质随即被这束蓝光激发，当被激发的物质恢复原状时，会发射出红光。此红光会被传感器中的光电二极管测量到，传感器同时测量荧光物质从被蓝光激发到发射红光后恢复原态的时间。当氧气与荧光物质接触后，则其产生的红色光的强度会降低。产生红光的时间也会缩短。水样中溶解的氧气的浓度越高，则传感器产生的红光的强度就会越低，产生红色光的时间就会越短。仪器测量的不是红颜色光的强度，而是从激发产生红颜色的光到该红颜色的光消失的时间，即荧光的释放时间（用τ表示)。

传感器上还安装有一个红光LED光源，在蓝色LED光源的两次发射之间，红色LED光源会向传感器发射一束红色光，这个红色光被作为一个内部标准(或者参比光)，与传感器产生的红色荧光进行比对。当有氧气与荧光物质接触后，红色光就会减弱，消失的时间也会缩短，这个时问用τ2来表示。仪器将τ1与τ2进行比对，找到溶解氧的量与τ之间的比例关系，再经过计算转化，就可以得出水中溶解氧的含量。