Avec les contrôleurs Serial ATA, les données et informations utiles à la gestion des échanges avec les périphériques passent à grande vitesse par deux « tuyaux » (un en émission, un en réception). Ce mode de fonctionnement, qui s'apparente à celui d'un modem haut-débit, est le fait de circuits « intelligents » capables de crypter et décrypter rapidement les « trains » de bits échangés.

Avec 8 mm de largeur pour 4 mm d'épaisseur, les câbles de liaison Serial ATA sont fins et souples. Munis de petits connecteurs et assez longs (jusqu'à 1 m), ils se montent et se démontent facilement, et n'entravent pas l'évacuation de la chaleur. Le Serial ATA se contente de sept fils de liaison entre le contrôleur et chaque périphérique : deux paires de fils pour les échanges d'informations (une pour chaque sens de transmission) et trois fils de masse pour limiter les interférences.

L'interface Serial ATA n'est pas réservée aux unités de stockage internes. Les PC haut de gamme devraient bientôt disposer de connecteurs Serial ATA permettant, comme avec l'USB et le FireWire, de brancher et débrancher des graveurs et des disques externes.

Chaque périphérique dispose de sa propre connexion avec le contrôleur Serial ATA. Les appareils les plus lents, tels que les graveurs, ralentissent peu les disques durs et il n'y a aucun cavalier à positionner lors de l'installation d'un nouveau périphérique.