比特币挖矿机本质上是一台专门执行哈希计算的高速设备，它并不是解题后直接生成比特币，而是在工作量证明机制下，用持续不断的算力竞争记账权。矿机接收待确认交易、前一区块哈希和网络设定的目标值，反复计算区块头的双重sha-256哈希，直到找到低于目标阈值的结果。谁先完成有效计算，谁就有机会把新区块广播给全网，并获得区块补贴与交易手续费。
一台标准的比特币挖矿机通常由ASIC芯片、控制板、电源和散热系统组成。ASIC是为特定算法定制的专用集成电路，针对比特币使用的SHA-256算法进行了大量并行优化，单位时间可以完成数量庞大的哈希尝试，因此在实际效率上远超普通CPU和显卡。矿机运行时，并不是把完整区块的所有交易数据反复搬进芯片，而是重点处理长度为80字节的区块头。区块头包括版本号、前一区块哈希、默克尔根、时间、难度目标编码和nonce等字段，其中任意字段变化，都可能产生完全不同的哈希结果。
真正进入计算环节后，ASIC会从nonce开始尝试，计算区块头的SHA-256，再对结果进行第二次SHA-256。哈希输出具有不可预测性，矿机无法通过公式直接推导出正确答案，只能依靠哈希率进行高频试错。4字节nonce的组合被遍历后，挖矿软件会修改coinbase交易中的extraNonce，进而改变默克尔根，继续扩大搜索空间，同时更新区块时间等字段。最终结果必须小于或等于网络目标值，才算满足工作量证明；所谓哈希前面有很多个零，只是对这一比较关系的直观表达，并不是协议真正检查的唯一形式。
矿工可以单独挖矿，也可以接入矿池。单挖一旦成功，区块奖励归矿工所有，但在全网算力极高的情况下，出块概率具有明显随机性，收益波动很大。矿池则会把任务拆分给大量矿机，并设置一个比全网目标更容易达到的份额目标。矿机提交的share通常不能直接生成新区块，却能证明设备确实完成了一部分计算，矿池据此统计贡献并分配收益；其中偶尔会出现同时满足矿池目标和全网目标的结果，矿池便将完整区块提交到比特币网络。
挖矿难度并非固定不变，比特币网络大约每2016个区块调整一次目标，使区块产生速度长期维持在约两周完成2016个区块的节奏。矿机能否盈利，决定因素也不只是算力大小，还包括能效比、设备折旧、电价、矿池费用、在线率、散热条件以及比特币价格。行业里常用J/TH衡量矿机能效，数值越低，代表完成相同算力所消耗的电力越少。比特币挖矿机的核心竞争力不是单纯跑得快，而是在稳定运行的前提下，用更低的单位能耗获得更多有效算力。
