比特币的运行机制本质是一套由全球分布式节点共同维护、依靠密码学与工作量证明达成共识的去中心化记账系统，不依赖银行、企业等中心化机构，依靠P2P网络、UTXO交易模型、PoW挖矿以及链式账本四大核心模块完成货币发行、转账确认与账本存储的全流程。
比特币没有传统意义上的账户余额记录，全部交易逻辑建立在UTXO未花费交易输出模型之上，每一笔转账不会直接修改某个地址的余额数字，而是消耗旧的交易输出作为输入，生成新的未花费输出。用户钱包的余额，本质是归集所有归属于自身地址还没有被消耗的UTXO总和，发起转账时，需要私钥生成数字签名来证明资产所有权，交易完成之后对应的旧UTXO就会被标记消耗，以此从底层规避双重支付问题。交易构建完成之后会通过P2P网络向全网广播，网络当中的全节点会校验签名格式、资产有效性，合规的交易存入内存交易池，等待矿工打包处理，整个传播过程不需要任何中介审批。
挖矿也就是工作量证明PoW，是比特币实现记账共识和新币发行的关键环节。矿工从交易池筛选交易打包生成候选区块，区块头会记录上一个区块哈希值、交易汇总默克尔根、时间戳、难度参数以及随机数Nonce，矿工反复变换Nonce进行SHA‑256哈希运算，暴力求解满足网络难度条件的结果，率先算出答案的矿工获得该区块记账权，同时拿到区块奖励与打包交易的手续费。新区块完成之后会广播至全网，其余节点校验区块的工作量证明以及区块内每一笔交易是否合规，校验通过就将区块接入本地的区块链副本，全网节点账本完成同步。系统每产出2016个区块会自动调整挖矿难度，无论全网算力上涨或者下跌，把平均出块时间稳定在十分钟左右，同时区块奖励会按照规则发生减半，最终把比特币总供给锁定在2100万枚。
链式账本结构为比特币带来不可篡改特性，每一个区块都携带上一区块的哈希指纹，前后区块依次串联形成完整的区块链。一旦修改某一个历史区块内部的交易数据，该区块哈希值就会发生彻底变化，后续全部区块的哈希关联全部失效，想要篡改账本就需要重新完成所有后续区块的工作量证明，并且算力要超过全网绝大多数节点，现实条件下几乎无法实现。普通用户可以使用轻钱包只同步关键区块头信息快速转账，全节点则保存完整账本数据，独立校验全部历史交易，保障网络去中心化程度，任何个体都无法单方面篡改账本规则与历史交易。
