PCI Express 2.0的基础技术沿袭了上一代1.0版本的技术，即都采用高速串行总线技术，依靠高频率来获得高性能，因此PCI Express也一度被人们称为"串行PCI"。由于串行传输抗干扰能力很强，容易达到较高的频率，再加上差分信号技术的辅助，PCI Express更容易达到较高的传输频率，其中PCI Express 1.0总线频率为2.5GHz，2.0版进一步提升到了5GHz。PCI Express采用全双工运作模式，基本的PCI Express拥有4根传输线路，其中2线用于数据发送，2线用于数据接收，发送数据和接收数据可以同步进行，相比之下，并行体系的PCI总线在一个时钟周期内只能做单向数据传输，效率只有PCI Express的1/2，加之PCI Express采用8b/10b编码的内嵌时钟技术，时钟信息被直接写入数据流中，这比PCI总线更能有效地节省传输通道，提高传输效率。另外，PCI Express没有沿用传统地共享式结构，它采用点对点工作模式(Peer to Peer，也被简称为P2P)，每个PCI设备都有自己的专用传输线路，这样就无需向整条总线申请带宽，可避免多个设备争抢带宽的问题，而在共享结构的PCI系统中却经常会发生多个设备争抢带宽的情况。

由于传输频率提高了一倍，PCI Express 2.0也就拥有了翻倍的效能，如一条X16图形插槽可提供高达16GB/s的传输性能，可以很好地满足高阶图形卡、协处理器加速卡等数据密集设备地需要。而除速度方面的提升以外，PCI Express 2.0也带来了一些新的技术特性，例如PCI Express 2.0新增动态连接功能，系统可以根据需要动态、连续地调整总线的速度，达到降低功耗的目的，这一功能对于节电至上的移动设备来说尤其有用。而如果传输负载增加，软件可以及时调整PCI Express 2.0的配置，使其工作在较高的频率上，以保证系统性能不会遭受影响。其次，PCI Express 2.0规范具有访问控制功能，在点对点的数据传输中，软件可以对互连的包路由进行控制，防止黑客通过欺骗或数据重新路由的手段来窃取数据。

PCI Express 2.0保持对现行1.0/1.1规范的兼容，旧的PCI Express扩展卡依然可以在PCI Express 2.0规范的系统中正常运行。同样，PCI Express 2.0扩展设备也可以工作在1.0的体统中，只不过此时设备必须工作在1.0兼容模式下。