A fizikai réteg minden hálózat alapja. A természet két olyan alapvető korlátozást kényszerít rá minden csatornára, amelyek meghatározzák a sávszélességét. Ez a két korlát a Nyquist-korlát, amely a zajmentes csatornákon érvényes, és a Shannon-korlát, amely a zajos csatornákon érvényes.

Az átviteli közegek lehetnek vezetékesek vagy vezeték nélküliek. A legfőbb vezetékes közegek a sodrott érpár, a koaxiális kábel és az üvegszál. A vezeték nélküli közegek között találjuk a földfelszíni rádiót, a mikrohullámokat, az infravörös fényt, a levegőben terjedő lézernyalábokat és a műholdakat.

A digitális modulációs eljárások biteket küldenek át a vezetékes vagy vezeték nélküli közegen analóg jel formájában. A vonali kódok alapsávon működnek és a jelek pedig áthelyezhetők egy áteresztősávba a vivőjel amplitúdójának, frekvenciájának és fázisának modulálásával. A csatornák megoszthatók a felhasználók között idő-, frekvencia- és kódosztásos multiplexeléssel.

A legtöbb nagy kiterjedésű hálózatban kulcsfontosságú elem a telefonhálózat. A fő alkotóelemei az előfizetői hurkok, a trönkök és a kapcsolók. Az ADSL 40 Mb/s-ig terjedő sebességeket kínál úgy, hogy az előfizetői hurkot sok, egymástól függetlenül modulált alvivőre osztja fel. Ez lényegesen meghaladja a telefonmodemek sebességét.

A trönkök digitális adatokat visznek át, amelyeket egyrészt WDM-mel multiplexelik a felhasználók közötti sok nagy kapacitású adatkapcsolat egyetlen üvegszálon keresztüli biztosításához, másrészt TDM-mel annak érdekében, hogy minden egyes nagy sebességű adatkapcsolatot megosszanak a felhasználók között. Mind a vonalkapcsolás, mind a csomagkapcsolás egyaránt fontos.

A vezetékes telefonhálózat nem alkalmas a mozgó alkalmazások kiszolgálására. A mobiltelefonokat mostanában széleskörűen használják a beszédtovábbításban, és hamarosan az adatszolgáltatások területén is elterjednek; már a harmadik generációnál tartanak. Az első generáció (1G) analóg volt, és alapja az AMPS volt. A 2G már digitális, a GSM jelenleg a legszélesebb körben telepített mobiltelefon-rendszer a világon. A 3G digitális és alapja a széles sávú CDMA, WCDMA-val és a CDMA2000-rel is mostanában telepítik.

A hálózatok elérésének egy másik lehetséges eszköze a kábeltelevíziós rendszer, amely fokozatosan alakult át koaxkábeles rendszerről hibrid üvegszálas-koax rendszerré, illetve televíziósról televíziósra és internetesre. A rendszer elméletileg nagyon nagy sávszélességet is biztosíthat, de a gyakorlatban a tényleges sávszélesség nagyban függ a felhasználóktól, mivel a sávszélesség köztük oszlik meg.