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OSI参照モデルにおけるレイヤー1(物理層)は、50Ω同軸ケーブルによるバス型接続を基本としている。物理的にはスター型構成をとる場合も、論理的にはバス型構成である。現在はIEEE 802.3の拡張により、UTPケーブルや光ケーブルなど、様々なインフラを利用することができるようになっている。
イーサネットでは、信号を伝送するにあたり変調が行われる。ベースバンド変調を行うものは名称にBASEを、ブロードバンド変調を行うものは名称にBROADをつける決まりとなっている。
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では、10BASExではマンチェスターコードが用いられた。マンチェスターコードは、各ビットを示す信号の中央で常に LoHi や HiLo に信号レベルが変化することで伝送の基準となるクロック信号をデータ信号に重ねて送ることができた。他に、100BASE-TXでは8B-6T、1000BASE-Tでは8B/1Q4(4D-PAM5)など、それぞれ適した変調が用いられる。
初期のイーサネットは論理的、物理的ともにバス型構成であり、複数の端末が1本の同軸ケーブルに接続されていた。多数の端末が繋がっている場合には、任意の端末AとBとの「1対1」の排他的な通信は不可能であり、端末Aから送出されたデータは、同じイーサネットの配線に繋がっている全端末へ届けられる「1対全」の通信方式である。「1対全」の通信である為、既に端末AとBが通信している時に端末Cが新たに送信したい場合は、伝送路の空きを待つ必要がある。複数の端末が接続されているときに、ほぼ同時に送信が行われた場合、衝突することがあり、その場合データが損失する。これを衝突(コリジョン)と呼び、その対策が後に述べるCSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection）である。CSMA/CDは、ギガビットイーサネット(IEEE 802.3ab等)までサポートされている。
MACフレームの形式 イーサネットの基本的なMACフレームの形式には米デジタル・イクイップメント、米インテル、米ゼロックスが開発した「DIX規格」とIEEE 802.3グループで国際標準化された「IEEE 802.3規格」の2つの形式が存在する。「DIX規格」ではタイプとなっているところが「IEEE 802.3規格」では長さ/タイプとなっているだけが違う。「DIX規格」のほうが広く使用されている。「IEEE 802.3規格」でも「DIX規格」と同じようにタイプを指定できる。イーサネットでは元の送信すべき通信データをまず一定の長さ以下に分割して、決められた形式による情報のかたまりを作り上げる。この情報のかたまりをMACフレーム（Media Access Control Frame）、または単にフレームと呼ぶ。イーサネットでは常にMACフレームの形で情報が伝送路を流れている。元の情報が分割されているために、ネットワーク機器は一定の長さ以下の情報を扱うだけで済むため、情報転送に関わるあらゆる処理が非常に単純な作業の繰り返しで済む。
データ復旧の物理的構成は、PCやルータ等のネットワーク機器(ノード)およびケーブルで組み立てられる。イーサネットは論理的にバス型構成であるため、一つの論理的バスの固まりをコリジョン・セグメント(または単にセグメント、コリジョンドメイン等)と呼ぶ。コリジョンセグメント内のノードは各々電気的に等価であり、すべてのフレームが全ノードのネットワークインターフェイスに受け取られる。各ノードのネットワークインターフェイスはMACアドレスを持ち、自分宛でないフレームは廃棄する。また、スイッチングハブ等、レイヤー2以上のネットワークをサポートする機器を利用した場合全二重通信を行うことができる。
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同じデータが到達するネットワークを「コリジョン・セグメント」または単に「セグメント」と呼び、コリジョン検出の物理的な制約によって最長伝送路長が存在し、物理層のイーサネット規格として規定されている。
一つのコリジョン・セグメント内に多すぎるノードが存在する場合は、後述するコリジョンの発生頻度が加速度的に高まり、閾値を越えたところで帯域が飽和する。
また、機器間の距離が規定より長い場合、データリンクを確立できない可能性がある。
規定された以上の長さの伝送路が必要な場合はリピータまたはリピータが多ポート化したリピータハブにより延長することが可能である。さらにブリッジや、ブリッジが多ポート化したスイッチング・ハブを用いてセグメントを拡張することができる。
全二重通信と半二重通信
「全二重通信」とは、1つの伝送路上の端末間で、常時、送信と受信が可能な通信技術のこと。
「半二重通信」は、各端末は送信か受信のどちらか片方向の通信を、必要に応じて切り替えながらでしか行なえない通信技術である。半二重通信では送信・受信の切り替え時に無駄が発生することがある。電話は全二重通信であり、CSMA/CDは半二重通信である。
端末が自分の発した信号さえ把握していれば、受信した信号から送信されてきた信号（とノイズ）だけを得ることは可能であり、伝送路を伝わったエコー成分を消し去るエコーキャンセラ技術によって全二重通信は可能となった。
一般に、PC等の機器間をクロストークケーブルで接続する場合や、スイッチングハブ等、データリンク層以上をサポートする機器を介在することで、全二重通信を行うことができる。多くのスイッチングハブは、全二重/半二重を自動で検知し、切り替えることができる機能を持つ(オートネゴシエーション)。
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イーサネット上の各端末を区別するために、製造段階で割り振られる世界中でただ1つ固有の48ビットのMACアドレスを持っている。先頭2ビットはアドレスの種類（ユニキャスト/マルチキャスト,グローバル/ローカル）、続く上位の22ビットはベンダーの固有値（グローバルアドレスの場合。なお、先頭2ビットとあわせて24ビットで表現されることが多い）、下位の24ビットはベンダーが自由に割り振る通し番号。イーサネットの上位に位置する通信規格であるIPプロトコル（IPv4）の32ビットのIPアドレスとは別である。
このMACフレームをレイヤー1、つまり横浜 土地に渡して伝送路の空きで送出する。
受信はこの逆で、受信データをレイヤー1・物理層を通じて受け取り、自分のMACアドレスが「送信先MACアドレス」に無ければそのまま破棄する。自分宛であれば「長さ」が有効であればその「長さ」を、有効でなければMACフレーム全体の長さから逆算して長さを求める。その長さによって「データ本体」と「FCS」を切り出してこれら2つから伝送誤りが無いかを確認して、誤りがあれば普通は上位レイヤーである、レイヤー3・ネットワーク層とレイヤー4・トランスポート層に報告し、レイヤー4からの指示でレイヤー3-2-1と下りて来て再送要求を送る、または再送されずに情報は失われる。伝送誤りが無ければ切り出されたデータをレイヤー3へ渡し1つ分のMACフレームの受信作業は終わる。ここで述べたレイヤー3と4はイーサネット規格の外部であり、多くのネットワークではTCP/IP規格が使用されている領域である。つまり、イーサネット規格では、再送処理やあて先の指定は含まれていない。
レイヤー2の情報は「行き先MACアドレス」が要求すればLAN上のスイッチング・ハブによってセグメントを越えて伝送される。つまりレイヤー1だけではセグメントの境界にスイッチング・ハブが位置しており、送出された信号はセグメントを越えることは無いが、スイッチング・ハブの内部では一度レイヤー2まで階層を登って解釈され行き先MACアドレスを読み取って、隣のセグメントやその先のセグメントであれば、別のセグメントへと転送されるため、セグメントを越えることが出来る。このため、スイッチング・ハブの内部ではそれぞれ接続されたセグメントごとに所属する端末のMACアドレスを一覧リストとして保持しており、MACフレームを受信するたびに高速で比較して転送先を決定している。 こういったレイヤー2スイッチング・ハブの動作は全ての速度・形式のイーサネット規格で同一である。
フレーム長の規定について
イーサネットでは、最短フレームサイズ64バイト、最長フレームサイズは1518バイトである。
CSMA/CDでのコリジョンを正しく検出するには、送信された信号が送信を終える前に、伝送路上で衝突して信号が乱れた結果を送信側が受信できなければならない。このためには送信される信号はある程度の長さを持たねばならず、その長さは、コリジョン検出に最も時間がかかる場合を想定して計算されなければならない。伝送路の片方の端から送信された信号がもう一方の端に着いた瞬間に別の送信が開始される場合が最も時間がかかるので、この場合の時間は最初の信号が端から端まで伝播するのにかかった時間と、コリジョンが発生した信号が同じ道を戻る時間の合計となり、これは単純に伝送路の2倍の距離を信号が伝播する時間となる。
CSMA/CDのコリジョンの検出のための往復電波遅延時間の計算は往復分2,500m × 2の5,000mに対するケーブルでの遅延時間 約26μSecと、リピータやトランシーバーの遅延時間分 約20μSecの合計で46.38μSecと計算される。この長さは10BASE-xでは464ビット時間に相当する。
これらの計算から最初の本格的なイーサネットの規格である10メガビット・イーサネットでは、最短のフレームサイズを余裕をもって512ビット（64バイト）時間とした。
最長フレームサイズが1518バイトに決まった明確な理由はなく、あまり長ければ中間で処理を行なう伝送装置のメモリーを大きな容量にしなければならず、あまり短かければネットワーク上を流れるのはフレームヘッダばかりになってしまうため、当時のハードウェア環境から最も長いデータ長1,500バイトと決められた。これにフレームヘッダを合わせて、最長フレームサイズが1518バイトに決まった。VLANを使う場合には、VLANのタグ(4バイト)が追加され、合計で1522バイトになる。