SATA接口協議借鑑了ISO/OSI（七層）和TCP/IP（四層）模型的組織方式和對象、服務、層次封裝等概念，將協議分爲四層：物理層、數據鏈路層、傳輸層、應用層。
當主機端SATA接口的命令寄存器被修改時，即說明接口得到了一個新讀寫操作指令，應用層會分析得到的硬盤操作命令並根據協議進行相應的解析，解析成對應的傳輸請求，最後根據數據傳輸請求要求傳輸曾進行數據的傳輸操作。
傳輸層接受到應用層的數據傳輸操作請求後，便將SATA接口中相關寄存器的內容按照協議規定的格式封裝爲一個幀信息結構包FIS（Frame Information Structures），按照協議規定的各種數據傳輸控制流程，將命令幀信息包及數據信息幀依次傳遞給鏈路層。
鏈路層主要負責控制幀的傳輸過程。鏈路層爲每一個幀定義了數據幀起始原語（SOF）和數據幀結束原語（EOF），接收方通過辨別它們來判斷一個幀的邊界。鏈路層給幀信息封裝上SOF和EOF原語，以及CRC校驗和數據後，再將待發送的數據進行擾碼，擾碼完畢後再進行8b/10b編碼，最後由物理層發送。
物理層接收到鏈路層處理過的數據後，將這些數據利用差分信號線發送出去，並通過特有的帶外信號（OOB）來檢查總線上是否掛載設備。