OSI物理層將代表數據鏈路層幀的比特編碼爲信號並通過物理介質——銅纜、光纖、和無線介質，用於連接網絡設備—傳輸和接收這些信號。
進入物理層的數據鏈路層幀包含着代表應用層、表示層、會話層和傳輸層、網絡層信息的比特串。這些比特依照所使用的特定協議和應用的要求而組織其邏輯次序。通過如銅纜、光纖和空氣等介質傳輸。物理介質將產生電壓、光或無線電波等信號，從一臺設備傳輸到另一臺設備。有可能很多協議的數據流共享此介質，也可能產生物理畸變。物理層設計的重要內容就是減少過載及干擾的影響。
爲了使數據鏈路層幀通過物理介質傳輸，物理層對數據形式的邏輯幀進行編碼以使在介質另一端的設備可以識別。設備可以是轉發幀路由器或其他目的設備。
通過本地介質傳輸幀需要以下一些物理層要素：
物理介質和關聯的連接器
在介質上表示比特
數據編碼和控制信息
網絡設備上的發送器和接收器電路
信號經介質傳輸後，被解碼爲代表數據原始格式的比特形式，並封裝稱爲完整的幀送給數據鏈路層。
主要的介質以及其使用的信號類型：
| 介質 | 信號類型 |
| 銅纜 | 電脈衝信號 |
| 光纖 | 光脈衝信號 |
| 無線 | 無線電信號 |
物理層信號和編碼：
在計算機通信中，傳送的信息都爲二進制形式的數字邏輯。物理層的任務之一就是將邏輯信息轉換爲物理能量的形式。當在物理介質上傳輸時，信號用來表示二進制代碼。
利用信號在物理介質上表示二進制位有許多不同的方法。每種方法都在稱爲比特時間的特定時間段內轉換爲能量脈衝的方法。比特時間是指OSI第2層網卡產生一個比特的數據並將其作爲信號送到介質上的時間。對接收者而言，在比特時間內信號一致存在並顯示爲一個比特值。比特時間內的信號類型依賴於所使用的信號方法。
三種信號特徵可以表示被編碼的比特：
幅度
頻率
相位
幅度是信號週期的一個特徵變量，幅度的峯值表示1，幅度的谷底表示0
兩種最常用的信號方法是：
不歸零(NRZ)
曼徹斯特編碼
NRZ採用在一個比特時間內的抽樣電壓表示1或者0，低電壓代表0，而高電壓代表1 實際電壓值根據標準不同而不同。
NRZ，沒有恆定的零電壓，有時爲了與其他設備同步要有附加的信號。恰恰是這些附加的信號限制了NRZ的效率，如果有電磁干擾存在也容易發生畸變。效率不高的NRZ只能用在低速鏈路上。
曼徹斯特編碼是一種在每個比特時間中間尋找電壓變化信號的方法。在比特時間內電壓值從低到高跳代表1，從高到低跳代表0 當有重複的比特值，也就是連續的0或者1時，轉換將在比特時間的邊界發生，重複的升高或降低將發生在比特時間的中間。
曼徹斯特編碼是 10BASE-T 以太網的信號標準(10Mbit/s)。更高速的鏈路需要其他標準。
比特分組
當有很多信號沿介質進行傳輸時，就需要一種方法定義物理層信號使接收設備能確認那些信號是重要的、需要引起注意的。添加信號模式來標明重要的信號傳輸是物理層的解決方案。
在高速網絡中，代碼分組變得更加重要，因爲這些網絡更容易出錯。代碼組是預定義的一組比特用來表示一組更大的數據比特。代碼組是物理層編碼的一部分。
無線介質：
4種常用的數據通信標準可適用於無線介質：
標準IEEE 802.11 通常也稱爲WiFi，是一種無線LAN(WLAN)技術，它採用載波偵聽多路訪問/衝突避免(CSMA/CA)介質訪問過程使用競爭或非確定系統
標準IEEE 802.15 無線個域網標準(WPAN)，通常稱爲“藍牙”，採用配對過程進行通信，有效距離爲1-100m
標準IEEE 802.16 通常稱爲WiMAX(微波接入全球互通)，採用點到點拓撲結構，提供無線帶寬接入
全球移動通信系統(GSM) 包括 可啓用第2層通用分組無線技術(GPRS)協議的物理層規範，提供通過
移動電話的無線網絡傳輸