數據鏈路層（DLL，Data Link Layer）的主要作用是進行鏈路管理（Link Management）、TLP錯誤校驗、Flow Control（流控制）和Link功耗管理。不僅可以接收發送來自事務層的TLP，還可以直接向另一個相鄰的數據鏈路層直接發送DLLP，比如Flow Control和Ack/Nak的DLLP。
數據鏈路層還可以進行數據備份，即Ack/Nack機制，發送方會在對發送方會對每一個TLP在Replay Buffer中做備份，直到其接收到來自接收方的Ack DLLP，確認該DLP已經成功的被接受，才會刪除這個備份。如果接收方發現TLP存在錯誤，則會向發送發發送Nak DLLP，然后發送方會從Replay Buffer中取出數據，重新發送該TLP。
PCIe物理層
在PCIe spec（標准）中，物理層被分為兩個部分單獨介紹，分別為物理層邏輯子層和電氣子層，無論是事務層還是數據鏈路層的Packet都會被臨時放入物理層的buffer中，並加上起始、結束字符（Start&End），起始字符有時也被稱為幀字符（這里所說的TLP和DLLP指的是包的原始發送者發的包，即TLP表示這個包的原始發送者為事務層，而DLLP則為數據鏈路層。但是TLP仍然會被數據鏈路層轉發，並添加Sequence和LCRC）。
物理層完成的一個重要的功能就是8b/10b編碼和解碼（Gen1 & Gen2），Gen3及之后的PCIe則采用了128b/130b的編碼和解碼機制。
物理層的電氣子層主要實現了差分收發對
PCIe物理層處理可以轉發TLP和DLLP之外，還可以直接發送命令集（Ordered Sets）。之所以稱其為命令集，是因為它並不是真正意義上的包（Packet），因為物理層不會為其添加起始字符（Start & End Characters）。並且命令集始於發送端的物理層，結束語接收端的物理層。雖然命令集沒有起始字符，但是對於Gen1&Gen2版本的PCIe物理層來說，會為其添加一個叫做COM的字符作為開始字符，隨后跟着三個或者更多的信息字符。