在PCIe Spec中，物理层是被分为两个部分单独介绍的，分别是物理层逻辑子层和物理层电气子层，其中后者一般都是基于SerDes来实现的。
由于物理层处于PCIe体系结构中的最底层，所以无论是TLP还是DLLP都必须通过物理层完成收发操作。来自数据链路层的TLP和DLLP都会被临时放入物理层的Buffer中，并被加上起始字符（Start & End Characters），这些起始字符有的时候也被称为帧字符（Frame Characters）。具体如下图所示：
注：这里所说的TLP和DLLP指的是包的原始发送者发的包，即TLP表示这个包的原始发送者为事务层，而DLLP则为数据链路层。但是TLP仍然会被数据链路层转发，并添加Sequence和LCRC。
物理层完成的一个重要的功能就是8b/10b编码和解码（Gen1 & Gen2），Gen3及之后的PCIe则采用了128b/130b的编码和解码机制。
物理层的另一个重要的功能时进行链路（Link）的初始化和训练（Initialization & Training），且是完全自动操作，不需要人为的干预。完成链路的初始化和训练之后，便可以确定当前PCIe设备的一些基本属性：
· 链路的宽度（Link Width，x1还是x2，x4……）
· 链路的速率（Link Data Rate）
· Lane Reversal - Lanes connected in reverse order
· Polarity Inversion – Lane polarity connected backward
· Bit Lock Per Lane – Recovering the transmitter clock
· Symbol Lock Per Lane – Finding a recognizable position in the bit-stream
· Lane-to-Lane De-skew Within a Multi-Lane Link
物理层的电气子层主要实现了差分收发对，如下图所示：
由于其速度很高，因此采用的是交流耦合方式（AC-Coupled），说白了就是在信号线上加了电容Ctx，此时低频信号和直流信号都会被抑制。
需要注意的是，PCIe物理层处理可以转发TLP和DLLP之外，还可以直接发送命令集（Ordered Sets）。之所以称其为命令集，是因为它并不是真正意义上的包（Packet），因为物理层不会为其添加起始字符（Start & End Characters）。并且命令集始于发送端的物理层，结束语接收端的物理层。虽然命令集没有起始字符，但是对于Gen1&Gen2版本的PCIe物理层来说，会为其添加一个叫做COM的字符作为开始字符，随后跟着三个或者更多的信息字符。
注：PCIe Gen3及之后的版本处理方式有所不同，但是Gen3是向前兼容Gen1 & Gen2的。由于本文主要还是基于Gen2来介绍的，所以关于Gen3的更多信息可以自行参考PCIe Gen3 的Spec。
命令集（Ordered Sets）的收发示意图，如下图所示：
命令集主要用于链路的训练操作（Link Training Process）。此外，命令集还用于链路进入或者退出低功耗模式的操作。