להלן תיאור קצר של ארכיטקטורת המערכת של Bluetooth. תכנון המערכת הופרד למגוון שכבות כמעט עצמאיות לשם הפשטה תפיסתית של התיאור. שכבות אלו מתוארות בפרוטרוט בספציפיקציות היסוד של Bluetooth. ספציפיקציות התכנון מתארות גם תכונות מסוימות של קבוצות שכיחות מסוימות אשר ניתן ליישמן על Bluetooth כדי להשיג אחידות עם מגוון יצרנים. אלו מתוארים בפרופילים של ספציפיקציות Bluetooth. ניתן להשיג הן את הקוד והן את התיאורים ללא תשלום באתר הרשמי של Bluetooth.

סקירה כללית של מחסנית הפרוטוקול (Protocol Stack) - התרשים מראה כי מחסנית הפרוטוקול כוללת שכבת רדיו בתחתית, אשר יוצרת את ממשק ההתקשרות הפיזי. המטרה הבסיסית של פס הבסיס ופרוטוקול מנהל הקשר Link Manager Protocol - LMP אשר שוכנים מעליו היא ליצור ולשלוט בקשרים בין מכשירי Bluetooth. שלוש שכבות תחתונות אלו מותקנות באופן טיפוסי בחומרה. שכבת השולט ב- host דרושה להשקת חומרת Bluetooth לפרוטוקול העליון Logical Link Control and Adaptation Protocol. השולט ב- host דרוש רק כאשר ה- L2CAP שוכן בתוכנת ה- host. אם ה- L2CAP נמצא גם על מודול ה- Bluetooth, יתכן ולא יהיה צורך בשכבה זו, שכן ה- L2CAP יוכל להתקשר ישירות עם ה- LMP ופס הבסיס. היישומים מצויים מעל L2CAP. החלקים הבאים מתארים בקצרה כל שכבה:

שכבת הרדיו- קשר זה פועל בתדר ה- ISM הלא מורשה סביב 2.4 ג'יגה-הרץ ומשתמש בתקשורת מרוחה בתדר (spread spectrum communication). התדר נע בין 2400 ל- 2483.5 מגה-הרץ במגוון רחב של ארצות ונעשה שימוש בכל התחום הזה על מנת לעשות אופטימיזציה של מריחת הספקטרום. אולם, עבור מדינות מסוימות עם רוחב פס ISM קטן יותר, מסופקת גרסה בסקלה קטנה יותר. עבור ספקטרום מרוח, נעשה שימוש בטכניקת הדילוג בתדר (Frequency hopping - FH). בשל העובדה שרשתות רבות ולא מתואמות עשויות להתקיים בפס זה ועלולות להפריע, נעשה שימוש ב- FH מהיר וחבילות נתונים קצרות. בשל העובדה, ששיעור השגיאות עלול להיות גבוה, בייחוד בשל ההפרעה הקשה של מיקרוגלים הפועלים בתדר זה, נבחר קידוד CVSD עבור קול, שכן הוא יכול לעמוד בשיעור שגיאת ביטים גבוה. בנוסף, ה- headers של החבילה מוגנים על ידי סכמת תיקון שגיאה בעלת יתירות גבוהה, כדי להפכם עמידים בפני שגיאות.
הדילוגים בתדר קבועים ב- 2402+K מגה-הרץ, כאשר k=0,1,...,78. שיעור הדילוג המספרי הנו 1600 דילוגים בשנייה. הדבר יוצר חריץ דילוג בודד של 625 מיקרושניות. המודולציה המשמשת לשם כך הנה ה- FSK הבינארי המסונן הגאוסיאני (Gaussian prefiltered Binary FSK). הפילטר הגאוסיאני הנו בעל BT=0.5. ישנו פירוט של מגוון הגבלות בנוגע לדיוק השעונים, לסחף, פליטות מזויפות וטולרנטיות לתדרי רדיו.
פס הבסיס- הנו השכבה השולטת ברדיו. רצפי הדילוג בתדר מסופקים על ידי שכבה זו. פס הבסיס גם מטפל בהצפנת הרמה הנמוכה יותר עבור קשרים מאובטחים. הטיפול בחבילה על גבי הקשר האלחוטי הנו באחריות פס הבסיס. ניתן ליצור שני סוגי קשר: SCO: בעל אוריינטציה של קשר מסונכרן -  Synchronous Connection Oriented. קשרים אלו מיועדים לנתונים מסונכרנים - באופן טיפוסי קול.ACL : ניתן להשתמש בקשרים אלו ליישומי העברת נתונים, אשר אינם מצריכים קשר סינכרוני (Asynchronous Connection Less) פס הבסיס מספק את הפונקציונליות המאפשרת למכשירים לסנכרן את שעוניהם וליצור קשרים. בנוסף מסופקים תהליכי חיפוש שמטרתם גילוי כתובות של מכשירים בסביבה הקרובה. תיקון שגיאות עבור חבילות גם הוא מסופק, תלוי בסוג החבילה. ישנו פירוט של מגוון סוגי חבילות עבור מספר יישומים נפוצים, הנבדלות אחת מהשנייה בקיבולת הנתונים שלהן, במידע אודות ניהול הקשר, נתונים סינכרוניים למשתמש, נתונים אסינכרוניים למשתמש ונתונים איזוסינכרוניים. הלבנת נתונים מתבצעת גם היא על ידי שכבה זו. הפונקציות הדרושות ליצירת מפתח הצפנה ומפתחי קשר מוגדרים בשכבה זו.
פרוטוקול מנהל הקשר - Link Manager Protocol- ניתן לסווג את הפונקציות הבסיסיות של LMP כדלהלן:
1. ניהול ה- piconet.
2. קונפיגורציית הקשר.
3. פונקציות אבטחה.
piconet הנו קבוצה של מכשירים המחוברים לערוץ משותף, אשר מזוהה לפי רצף הדילוג הייחודי לו. אחד מהמכשירים, לרוב המכשיר שהתחיל את ההתקשרות, הוא המאסטר. עד שבעה מכשירים אחרים יכולים להיות מחוברים למאסטר זה ורבים אחרים יכולים להיות מחוברים במצב "חנייה" בעל הספק נמוך. המכשירים ב- piconet אחד יכולים לתקשר אחד עם השני על גבי קשר SCO או ACL. הפעילות המשותפת בערוץ מנוהלת על ידי המאסטר בעזרת מנהלי הקשר בכל מכשיר. על כל שני מכשירים או יותר, אשר צריכים לתקשר אחד עם השני, ליצור piconet משל עצמם. מכשירים יכולים להשתייך ל- piconets רבים בו זמנית.
תרשים 3: א. piconets ו-scatternet. piconet בין שני מכשירים. ב. piconet בין מכשירים רבים. ג. scatternet - שילוב של piconets כאשר חלק מהמכשירים שותפים ל- piconets.
ה- LMP מספק את הפונקציונליות לחבר או לנתק slaves, להחליף תפקידים בין מאסטר ל- slave וליצור קשרי ACL / SCO. ה- LMP גם מטפל במודים של הספק נמוך כגון המתנה, רחרוח וחנייה, המתוכננים לחסוך באנרגיה כאשר אין למכשיר נתונים לשלוח.
מטלות של קונפיגורציית הקשר כוללות קביעת פרמטרים של קשר, איכות השירות ושליטת בהספק, אם המכשיר תומך בכך. ה- LMP מטפל גם באימות המכשירים אשר מעוניינים ליצור קשר ובניהול מפתחות הקשר.