比特币的工作机制主要由点对点P2P节点网络、UTXO交易模型、非对称加密签名、工作量证明挖矿、区块链账本存储五大模块协同运行，整套体系去掉中介机构，依靠密码学与分布式共识实现价值的点对点转移，也是比特币能够去中心化运行的核心基础。
比特币没有传统平台的账户余额体系，采用UTXO未花费交易输出作为交易底层模型，每一笔比特币转账本质不是修改某个账户数字，而是消耗过往已经生成的未花费输出作为交易输入，同时生成新的未花费输出作为交易输出。用户钱包显示的余额，只是钱包归集所有归属于自身地址的UTXO总和，转账时会自动挑选合适的UTXO组合，支付给接收方的同时生成找零UTXO，交易差额部分则作为矿工手续费。交易发起时，用户使用私钥完成数字签名，网络节点通过公钥校验签名合法性，私钥不会向外泄露，签名一旦生成，交易主体内容无法被篡改，签名校验失败的交易，会直接被网络节点丢弃，不会继续向外传播。
交易构建签名完成之后，会被推送至比特币网络的内存池等待确认，全球无数运行比特币客户端的全节点组成P2P网络，收到交易后会独立校验交易规则，确认没有双重花费、脚本逻辑合规后，再转发给相邻节点，让交易扩散至整个网络。全节点会完整保存全部区块链历史数据，独立校验每一笔区块和交易，不依赖第三方信息，这也是比特币去中心化可信的关键，普通轻钱包不需要同步完整账本，依靠全节点获取交易数据，使用体验更轻量化，但自身不具备完整校验能力。
处于内存池的待确认交易，会被矿工挑选打包进候选区块，依靠工作量证明PoW机制竞争记账权，矿工不断迭代随机数，反复计算区块哈希值，直到输出结果匹配网络当前难度目标，率先算出合格结果的矿工，就可以把新区块广播全网。网络会自动调整挖矿难度，保障平均每10分钟产出一个区块，其他节点收到新区块，快速验证哈希与区块内全部交易的合法性，验证通过就接纳区块并接续在区块链末尾，区块内的交易就此获得确认。矿工收益来自两部分，一是区块奖励也就是新发行比特币，二是区块内所有交易的手续费，随着区块奖励减半，手续费在矿工收益中的占比会持续提升。
区块链本身是前后哈希相互关联的链式账本，每一个区块头部都保存上一个区块的哈希值，一旦修改历史区块内任意交易数据，该区块哈希就会全部改变，后续所有区块的哈希链条都会断裂，会被全网节点直接拒绝。行业普遍认为一笔交易经过6个区块确认之后，基本实现不可逆，想要篡改已确认区块，攻击者需要掌握网络绝大部分算力，现实中执行成本极高，这套链式结构从底层保障账本不可篡改。整套机制相互约束，密码学管控资产所有权，节点网络负责传播校验，挖矿完成共识记账，账本留存全部历史记录，共同构建无需中介的电子现金系统。
