PROFIBUS basiert physikalisch auf der seriellen Übertragungstechnik RS485. Übliche Bitraten liegen zwischen 9,6 kBit/s und maximal 12 Mbit/s. Gebräuchlich sind oft 500 kBit/s oder 1,5 Mbit/s, da hier das Verhältnis Übertragungsrate zu der davon abhängigen zulässigen Leitungslänge am ausgewogensten ausfällt. Entsprechend der Vorgaben der RS485 Übertragungstechnik sollten Bus-Abschlusswiderstände gesetzt werden. Eher selten wird PROFIBUS auch über Glasfaser- oder Funk-Lösungen übertragen. Als Verbindungstechnik werden entweder 9-polige Sub-D Stecker/Buchsen mit genormter Pin-Belegung oder B-Codierte M12 Stecker verwendet. Profibus-Stecker haben meist integrierte, zuschaltbare Abschlusswiderstände.

Beim PROFIBUS kommt die Linien-Topologie zum Einsatz. Die maximale Anzahl an Bus-Teilnehmern beträgt 126, wobei diese in Bus-Segmente zu je 32 Teilnehmern aufgeteilt werden. Zwischen den Segmenten kommen Repeater zum Einsatz um das Signal aufzufrischen. Der PROFIBUS-Aufbau kann auch redundant gestaltet werden

Es handelt sich beim PROFIBUS um ein sogenanntes Master/Slave System. Dabei stellt der Master einen aktiven Teilnehmer dar, der nach seinem eigenen Takt Daten der passiven Teilnehmer (Slaves) anfordert oder Daten sendet. Üblicherweise gibt es nur einen Master (Master Klasse 1) am Bus (meist eine SPS) der zyklisch (PROFIBUS-DPV0) mit den Slaves Daten austauscht. Gerade um Bediengeräten (HMI, Master Klasse 2) ebenfalls gerecht zu werden, gibt es die Option azyklisch (PROFIBUS-DPV1) Daten von Slaves abzufragen und zu schreiben, wenn der Master Klasse 1 nicht aktiv ist.
Es ist grundsätzlich möglich auch mehrere Master Klasse 1 an einem Bus zu betreiben, dabei werden die Slaves einem Master fest zugeordnet und die Master synchronisieren (Token passing) ihren jeweiligen Zugriff auf den Bus über einen Token.

Pro Bus-Teilnehmer können maximal 244 Byte an Daten zyklisch übertragen werden.

Die Geräte-Adressierung erfolgt am Gerät entweder per Hardware (Dipp-, Drehschalter) oder Software. Jede Adresse darf nur einmal auf dem Bus vergeben sein.

Die Adressierung von Daten erfolgt über die Angabe von Slot und Index. Diese Information ist Bestandteil der jeweiligen Gerätebeschreibungsdatei eines PROFIBUS-Teilnehmers. Bei modular aufgebauten Geräten sind der Slot und Index in der visuellen Bus-Konfiguration ersichtlich.

Der PROFIBUS-PA (Prozess-Automation) wird auf einer speziellen Physik (Manchester Coding with Bus-Power – MBP) für die Anforderungen der Prozessindustrie (z. B. Explosionsschutz) übertragen. Dabei wird die Versorgungsspannung für die Bus-Anschaltung mit den Datensignalen zusammen übertragen. Die Baudrate ist auf 31,25 kBit/s festgelegt.

MPI (Multipoint-Interface) ist angelehnt an den PROFIBUS, aber ein proprietäres Protokoll von Siemens zur Vernetzung von Steuerungen untereinander oder mit Bediengeräten.
MPI ist auch die Programmier- und Diagnoseschnittstelle vieler älteren Siemens Steuerungen. Die Baudrate beträgt 187,5 kBit/s bei einer Leitungslänge von max. 50 m. Die Teilnehmerzahl beträgt 32 Geräte. Über die sogenannten Global Data (GD), können kleine Datenmengen ohne zusätzliche Programmierung übertragen werden (abhängig von der SPS 4, 16 oder 32 Verbindungen mit je 22, 32 oder 64 Byte an Daten). Über Kommunikations-Funktions-Bausteine (CFB) in der SPS können bis zu 64 kByte übertragen werden.
Für Bediengeräte (Operator Panels – OP’s) gibt es spezielle Bedien- und Beobachtungsverbindungen.