比特币依靠点对点网络、UTXO交易模型、工作量证明共识、区块链式存储以及难度自动调节等多重机制协同运转，实现无中心化机构参与下的价值转移、账本维护与货币发行，整套机制通过密码学规则约束全网参与者，保障交易可信、数据不可篡改，也是比特币能够长期运行的底层核心逻辑。
比特币的交易体系采用UTXO未花费交易输出模型，和传统账户余额模式存在明显区别，系统并不直接记录每个地址的账户余额，所有资金状态都由历史交易输出构成。用户发起转账时，钱包会挑选对应地址名下还未被花费的UTXO作为交易输入，使用私钥完成数字签名来证明资产控制权，同时生成收款地址与找零地址两类交易输出，完成资金分配。签名完成后的交易被广播至P2P网络，各个网络节点会校验签名合法性、输入是否已经被花费，过滤掉双花等无效交易，校验通过的交易进入内存池排队等待打包，交易手续费高低会直接影响被矿工选中打包的优先级，手续费越高，交易越容易被优先处理。
工作量证明挖矿机制承担交易打包、新区块生成以及比特币发行的职能，矿工从内存池挑选交易组装候选区块，区块头保存上一区块哈希、默克尔根、时间戳、难度目标以及随机数Nonce，矿工需要反复变更Nonce数值做SHA‑256哈希运算，计算出满足全网难度条件的哈希结果，率先算出答案的矿工获得本轮记账权。挖矿成功后新区块会向全网广播，其他节点独立校验区块的工作量证明、交易集合、区块链式关系，校验无误就把区块追加到本地账本末尾，矿工可以收获区块奖励以及区块内全部交易手续费。网络出现短暂分叉时，全网遵循最长链原则，拥有最多算力累积的链条会被认定为有效主链，分叉链上未确认的交易重新回到内存池等待打包。
区块链式存储与默克尔树机制构筑比特币不可篡改的基础，每一个区块的区块头都写入上一个区块的哈希值，把区块按时间顺序首尾相连形成区块链。区块内部全部交易汇总生成默克尔根并存放于区块头，只要区块内任意一笔交易数据发生改动，默克尔根就会发生彻底变化，区块头哈希同步失效，区块直接判定为无效。想要篡改历史区块，不仅要重新完成该区块的工作量证明，还要重做该区块之后所有区块的算力运算，并且算力要超过全网其余节点总和，现实条件下几乎无法实现，交易被打包进区块完成一次确认，后续每新增一个区块确认数累加，行业普遍认为6次确认之后，交易逆转风险基本降到极低水平。
比特币内置难度自动调节机制维持网络出块节奏，协议设定理想平均出块间隔为10分钟，全网算力会随矿工进出不断波动，算力暴涨会加快出块速度，算力下滑则会拖慢出块进度。系统每生成2016个区块就会自动开展一次难度校准，统计这一批区块实际消耗的总时长，对比理论预期时长，动态上调或者下调挖矿难度目标，以此抵消算力波动带来的影响，让网络长期维持接近十分钟一个区块的产出节奏。同时区块奖励会按照减半规则周期性下调，从源头控制比特币总供应量，最终上限锁定在2100万枚，完成去中心化的货币发行。
