Сотовая сеть состоит из базовых станций (многочастотные УКВ приемопередатчики), распределенных по всей зоне покрытия сотовой сети и коммутаторов. Сотовый телефон прослушивает эфир, находит сигнал от базовой станции и посылает ей уникальный IMSI SIM-карты, а также уникальный IMEI телефона.

Компьютер сети проверяет подлинность абонента, передав на мобильный телефон случайный номер, который SIM-карта обрабатывает по специальному алгоритму и посылает результат на ближайшую базовую станцию. Базовая станция передает информацию в управляющий компьютер, где сверяются код с мобильного телефона и вычисленный компьютером. При совпадении мобильному телефону разрешается доступ в сеть. Надежность идентификации считается достаточно высокой.

Сотовый телефон и базовая станция поддерживают постоянный радиоконтакт. При перемещениях сотовый телефон периодически переключается с одной базовой станции на другую, выбирая станцию от которой исходит более мощный сигнал. Этот процесс происходит даже если телефон находится в режиме ожидания, и разговор не ведется.

Компьютер сети всегда знает, с какой базовой станцией данный мобильный телефон поддерживает устойчивую радиосвязь. Запоминая текущее время и номер базовой станции, компьютер хранит время переговоров и место нахождения абонента.

Украденный сотовый телефон могут находить по его идентификатору IMEI, независимо от того какая SIM-карта в нем установлена. Во многих аппаратах можно сменить IMEI, используя различные незаконные способы.

Связь телефона со станцией может проводиться по множеству цифровых протоколов, которые можно разделить на семейства. Главные из них: (DAMPS, CDMA, GSM, UMTS. Устаревшие аналоговые протоколы — (AMPS, NAMPS, NMT-450).

Большинство современных сотовых телефонов могут работать в нескольких стандартах, что позволяет пользоваться услугами роуминга в разных сотовых сетях. Большинство GSM-телефонов, используемых в России, поддерживают протоколы GSM-900 и GSM-1800, многие работают также в сетях GSM-850 и GSM-1900. Почти все UMTS-телефоны могут работать в сетях GSM.

Было сообщение в СМИ о проекте сотового телефона, которым можно пользоваться, примерно как рацией, — если абоненты находятся недалеко друг от друга, такой телефон обеспечит связь между ними, не используя коммутационную технику сотового оператора, — за такой разговор не придётся платить сотовому оператору.