以太坊的核心机制是以权益证明PoS为共识底层，搭配账户模型、以太坊虚拟机EVM、Gas费体系共同运行的可编程区块链系统，通过质押ETH保障网络安全，依靠虚拟机执行智能合约，借助Gas机制控制链上计算成本，实现去中心化转账、合约部署、DApp运行等各类链上行为。
以太坊在2022年完成合并升级后彻底告别工作量证明挖矿模式，全网切换为权益证明共识，想要成为网络验证者，需要质押32枚ETH到官方存款合约，同时运行执行客户端、共识客户端与验证者客户端三类软件参与网络工作。网络将时间划分为12秒一个的时隙，依靠RANDAO伪随机算法选出区块提议者，负责打包交易生成新区块，其余验证者对区块有效性进行投票确认。如果验证者出现作恶行为，比如提交冲突区块，系统会执行罚没机制，销毁其部分或全部质押ETH，以此形成加密经济约束，诚实参与共识的验证者则可以获取ETH质押奖励，整个网络不再依赖算力挖矿，能耗相比之前大幅下降。
以太坊采用账户状态模型，区别于比特币的UTXO模式，链上所有数据维护一份全局账本状态，分为外部拥有账户与合约账户两类。外部账户由私钥掌控，是普通用户使用的钱包地址，可以主动发起转账、调用合约等交易；合约账户没有私钥，由部署上链的智能合约代码控制，只能接收外部交易触发执行逻辑，能够持有资产、存储数据，DeFi、NFT等绝大多数链上应用都依托合约账户实现。每一笔交易都会携带nonce数值，用来防止重复交易，交易执行完成后，全网所有节点同步更新账户余额、合约存储等全局状态，完成一次状态迁移。
以太坊虚拟机EVM是整个网络的计算核心，它是一套图灵完备的隔离执行环境，所有智能合约代码编译后的字节码，都由EVM在各个节点本地执行。不管是简单的ETH转账，还是复杂的借贷、swap交互，每一步运算、读写存储都要消耗对应的Gas单位，不同操作码预先设定固定Gas消耗，运算越复杂，消耗Gas越高。Gas使用ETH进行结算，用户提交交易时设置Gas上限与小费，小费越高，交易越容易被验证者优先打包。如果执行过程中Gas耗尽，合约逻辑会全部回滚，但已经消耗的Gas不会退回，这套机制可以有效抵御无限循环这类恶意攻击，避免网络资源被恶意占用。
区块作为以太坊数据的载体，会收集时隙内的有效交易，把交易执行结果、状态根哈希、共识投票信息一并打包上链，区块之间依靠哈希首尾相连形成链式账本。普通用户看到的链上数据，本质就是一次次交易推动全局状态不断变更，所有节点独立复现EVM运算，保证全网对账本结果达成一致。这套整套机制组合在一起，既完成基础加密货币的价值转移，又提供可编程能力，也为后续分片、二层扩容等升级方案打下底层基础，也是以太坊能够成为公链生态龙头的底层根基。
