物理层(PHY)主要负责电磁波收发设备的管理、频道选择、能量和信号侦听及利用。同时，物理层也规定了可使用的频率范围,802.15.4协议主要使用了三个频段：868.0?868.6MHz,主要为欧洲采用，单信道；902?928MHz,北美采用，10个信道，支持扩展到30；2.4?2.4835GHz,世界范围内通用，16个信道。后来根据各个地区的不同需求和应用背景，也有一些新的频段加入。协议采取的这三个频段都是国际电信联盟电信标准化组(ITUTelecommunication Standardization Sector,ITU-T)定义的用于科研和医疗的ISM开放频段，被各种无线通信系统广泛使用。在这三个不同频段，都采用相位调制技术，2.4GHz采用较高阶的QPSK调制技术以达到250kb/s的速率，并降低工作时间，以减少功率消耗。在915MHz和868MHz,采用BPSK的调制技术。相比较2.4GHz频段,900MHz频率更低，绕射能力较好。

802.15.4因为采用直接序列扩频技术，具备一定的抗干扰能力，同时在其他条件相同的情况下传输距离要大于跳频技术。在发射功率为OdBm的情况下，Bluetooth能有10m的作用范围，而基于IEEE802.15.4的ZigBee在室内通常能达到30?50m的作用距离。如果室外障碍物较少，甚至可以达到100m的作用距离。