一個完整的PCIe協議體系結構包括應用層、事務層（Transaction Layer）、數據鏈路層（Data Link Layer）和物理層（Physical Layer）。其中，應用層由用戶需要自行設計，其他需要嚴格按照協議進行遵循。應用層與軟件層一般指的是Device Core and interface to Transaction Layer,該層決定了PCIe設備的類型和基礎功能，可以由FPGA實現。
事務層（Transaction Layer）：接收端的事務層負責事務層包（Transaction Layer Packet，TLP）的解碼與校驗，發送端的事務層負責事務層包的建立。此外事務層包還具有流量監控等功能。
數據鏈路層（Data Link Layer）：負責數據鏈路層包（Data Link Layer Packet，DLLP）的創建、解碼和校驗。同時還實現了ACK、NACK應答機制。
物理層（Physical Layer）：物理層負責Ordered-Set Packet的創建與解碼。同時負責發送與接收所有類型的包。在發送之前，還需要對包進行一些列的處理，擾碼（線性反饋移位寄存器），8b10編碼（電流平衡）。
在PCIe體系中，事務層、數據鏈路層、物理層曾在與每一個端口中，是一個結構總必須包含的組成。