比特币并不是某一项单一技术，而是一套由密码学、P2P对等网络、分布式账本、工作量证明共识共同组合而成的复合技术体系，区块链是这套体系最核心的数据存储载体。很多新手容易把比特币等同于区块链，实际上区块链只是比特币的底层账本技术，比特币是区块链技术诞生后的第一个落地应用，整套系统依靠多种技术模块相互配合，实现无需第三方中介的点对点电子现金流转。
密码学是比特币安全体系的根基，主要由哈希算法与椭圆曲线数字签名两大部分构成。比特币采用SHA‑256哈希算法，无论是区块头运算，还是交易数据的指纹生成，都依靠该算法，输入数据微小改动，输出哈希值就会完全改变，具备单向不可逆的特性，这也是区块数据难以篡改的关键原因。在身份与交易授权层面，比特币选用secp256k1椭圆曲线的ECDSA签名算法，随机生成私钥之后单向推导公钥，再经过两次哈希运算编码得到比特币地址，用户发起转账时使用私钥完成签名，全网节点依靠公钥校验交易合法性，整个过程不需要传递私钥，以此保障资产归属安全。比特币没有传统意义上的账户余额，采用UTXO未花费交易输出模型，网络只会记录每一笔交易的输入输出，钱包余额是客户端遍历账本计算得出的结果。
工作量证明PoW共识机制，是比特币能够在分布式网络达成账本统一的核心逻辑。全球各地的矿工节点通过算力反复暴力尝试随机数Nonce，让区块头的双重SHA‑256运算结果满足网络设定的难度条件，率先算出符合条件结果的矿工，获得新区块记账权，把一段时间内的有效交易打包进区块，向全网广播。比特币网络会维持平均每10分钟产出一个区块的节奏，每2016个区块自动调整挖矿难度，算力上涨难度随之抬升，算力下跌难度同步降低，保证出块速度不会被算力波动打乱。新区块会嵌入上一个区块的哈希值，区块之间首尾相连形成链式结构，想要篡改历史区块内的交易，就必须重新计算该区块以及之后全部区块的工作量证明，需要掌握网络绝大部分算力，现实中实施成本极高。
P2P对等网络支撑起比特币分布式运行的基础，网络中分布着无数全节点，每一个全节点都会完整保存全部区块链账本副本。当一笔交易被用户发起，会直接广播至P2P网络，各个节点独立校验交易签名、UTXO有效性，校验通过才会继续转发这笔交易。没有中心化服务器管控交易流转，不存在单点故障，即便部分节点下线，其余节点依旧可以维持网络正常运转。Merkle树技术被用在区块内部，区块内多笔交易压缩生成Merkle根写入区块头，节点不需要下载全部交易，就可以快速验证某一笔交易是否真实存在于对应区块，降低轻节点的数据验证压力。
整套技术组合还内嵌固定的经济规则，代码层面限定比特币总量上限为2100万枚，依靠区块奖励减半机制控制货币发行节奏，每产出21万区块，矿工出块奖励减半，新币随挖矿产出，到2140年前后新币将全部发行完毕，后续矿工收益主要依靠交易手续费。技术与经济激励绑定，矿工维护网络安全获取收益，进一步巩固整个分布式系统的稳定性。这套技术组合诞生之后，启发了后续大量加密项目，但比特币原始技术架构，也存在固有的短板，单区块容量有限，原生网络每秒处理交易数量偏低，后续也衍生出闪电网络等二层方案尝试拓展性能上限。
