比特币依靠P2P分布式网络、UTXO交易模型、PoW工作量证明共识与区块链账本协同运转，没有中心机构管控，依靠密码学与经济激励维持全网有序运行，整套机制实现去中心化发行、转账记账与防篡改特性。
比特币底层搭建点对点网络，全球无数节点共同保存完整账本，用户发起转账时，利用私钥对交易进行数字签名，随后将交易广播至全网。网络节点首先校验签名有效性，同时核查这笔交易对应的UTXO是否已经被花费，从根源规避双重支付问题。和传统账户模式不同，比特币不会直接记录地址余额，所有资产都以未花费交易输出形式存在，每一次转账本质就是消耗旧的UTXO，生成新的UTXO，多余金额自动生成找零输出，整个交易验证流程无需第三方中介参与。通过校验的交易暂时存入内存池，等待矿工打包处理，手续费高低会直接影响交易被打包的优先级，网络拥堵阶段低手续费交易往往会长时间无法确认。
矿工负责将内存池内合法交易整合形成候选区块，依靠不断变换随机数反复计算区块头哈希，完成工作量证明竞争记账权。率先算出符合难度标准哈希值的矿工，即可广播新区块，全网节点完成区块校验后，统一将区块追加到区块链末端。系统设定平均每10分钟产出一个区块，挖矿难度每2016个区块自动动态调节，以此稳定出块节奏。区块内首笔交易为coinbase交易，用于发放区块奖励，奖励规模每四年减半，总量上限固定为2100万枚，随着奖励持续缩减，未来矿工收益将更多依靠用户转账手续费。网络出现分叉时，全网遵循最长链原则，累积更多算力工作量的链条会被认定为主链，短链上的交易自动失效。
链式存储结构保障账本难以篡改，每个区块都会记录上一个区块的哈希指纹，一旦修改任意区块内交易数据，哈希值会同步改变，后续所有区块链接全部断裂。同时所有链上交易公开可查询，任何人都能够通过区块浏览器检索交易记录，但交易仅展示一串字符地址，不会直接绑定个人真实身份，形成公开账本与身份匿名并存的特点。这套运行机制也存在短板，PoW算力消耗大量能源，网络吞吐量存在上限，长时间拥堵会推高转账成本，也是多年来市场持续讨论的核心痛点。
