Принцип действия Bluetooth основан на использовании радиоволн. При включении Bluetooth активируется радиопередатчик, который работает в ограниченном диапазоне частот в районе 2,4 ГГц. Эта часть спектра называется ISM — Industry, Science and Medicine — и используется в различных бытовых приборах и беспроводных сетях. После активации радиопередатчик начинает отслеживать все сигналы в этом диапазоне. Второе устройство делает то же самое. После того, как устройства обнаружили друг друга, первое берет на себя роль передатчика, а второе становится приемником. При этом данные передаются по специальному алгоритму FHSS, который обеспечивает устойчивость к широкополосным помехам. Согласно этому алгоритму, частота сигнала Bluetooth скачкообразно меняется 1600 раз в секунду, перепрыгивая с одной из доступных 79 частот на другую. Последовательность переключения между частотами для каждого соединения является псевдослучайной и известна только передатчику и приёмнику, которые каждые 625 микросекунд синхронно перестраиваются с одной частоты на другую. Таким образом, если рядом работают несколько пар приёмников-передатчиков, то они не мешают друг другу. Этот алгоритм также является частью системы защиты передаваемой информации.

Перед отправкой по Bluetooth данные разбиваются на специальные блоки, именуемые пакетами, с инструкциями по составлению из них исходного файла. Процессор приемника обрабатывает пакеты, создает из них передаваемый файл и помещает его в постоянную память устройства. При передаче цифровых данных и аудиосигнала используются различные схемы кодирования: аудиосигнал не повторяется, а цифровые данные в случае утери пакета информации передаются повторно.

В настоящее время актуальной версией Bluetooth является спецификация 5.0. Она была представлена в Лондоне в июне прошлого года и отличается увеличенным радиусом действия (до 40 метров в помещении и 200 метров на улице) и скоростью передачи данных, составляющей 6,25 МБайт/с. Bluetooth 5.0 уже поддерживается рядом мобильных устройств, в частности iPhone 8 и iPhone Х.