Các đặc điểm kỹ thuật của USB 3.0 tương tự với USB 2.0, nhưng đi kèm nhiều cải tiến cùng với cách hiện thực hóa khác hẳn. Trước đó, các khái niệm về USB như "thiết bị đầu cuối" và bốn tính chất của việc chuyển dữ liệu (số lượng lớn - bulk, kiểm soát - control, không đồng bộ - isochronous và gián đoạn - interrupt) được duy trì, nhưng các giao thức cũng như cách giao tiếp điện là khác nhau. Các đặc điểm kỹ thuật xác định một kênh vật lý riêng để truyền tải lưu lượng của USB 3.0. Những thay đổi được miêu tả như sau:

• Tốc độ truyền tải: USB 3.0 bổ sung một phương thức truyền mới gọi là loại SuperSpeed hoặc SS, 5 Gbit/s (về mặt điện tử thì chuẩn này giống với chuẩn PCI Express 2.0 và SATA hơn là USB 2.0)[8]
• Tăng băng thông: thay vì sử dụng một đường liên lạc một chiều thì USB 3.0 sử dụng tới hai đường dữ liệu không định hướng, một đường để nhận và một đường để truyền dữ liệu.
• Quản lý điện: trạng thái quản lý điện ở liên kết từ U0 đến U3 được xác định.
• Cải thiện cách sử dụng bus: USB 3.0 bổ sung một tính năng mới, sử dụng các gói NRDY và ERDY để cho phép một thiết bị thông báo theo cách không đồng bộ cho hệ thống biết rằng nó đã sẵn sàng.
• Phương thức bulk được cập nhật, cho phép một lượng lớn các dòng stream ở trong một điểm cuối (Endpoint)

Về cơ bản thì USB 3.0 có tốc độ truyền lên đến 5 Gbit/s, nhanh hơn khoảng 10 lần so với USB 2.0 (480 Mbit/s). Và vì USB 3.0 là duplex toàn phần trong khi USB 2.0 là duplex bán phần, lượng băng thông của USB 3.0 có thể lớn gấp 20 lần băng thông của USB 2.0 nếu sử dụng cả hai đường truyền dữ liệu.[9]

Kiến trúc và tính năng

Phía trước của một kết nối USB 3.0 chuẩn A, có 4 chân để tương thích ngược với các cổng USB 1.x/2.0, và một hàng thứ hai với 5 chân cho các cổng USB 3.0. Phần nhựa ở USB 3.0 có màu xanh chuẩn và được gọi là Pantone 300C.

Ở USB 3.0, kiến trúc dual-bus được sử dụng để cho phép cả hai chuẩn USB 2.0 (tốc độ đầy đủ, tốc độ thấp hoặc tốc độ cao) và USB 3.0 (SuperSpeed) hoạt động đồng thời, nên chuẩn này có tính tương thích ngược. Ngoài ra thì các thiết bị USB 3.0 cũng có thể hoạt động với các cổng USB 2.0. 

Truyền tải dữ liệu và đồng bộ

Những đường truyền SuperSpeed được bắt đầu với việc hệ thống thực hiện một yêu cầu, và thiết bị có thể chấp nhận hoặc từ chối yêu cầu đó; nếu được chấp nhận, thiết bị sẽ gửi dữ liệu hoặc nhận dữ liệu từ máy chủ. Nếu đầu cuối bị dừng, thiết bị sẽ trả lời bằng một cái bắt tay STALL. Nếu thiếu không gian đệm hoặc dữ liệu đệm, thiết bị sẽ phản hồi bằng tín hiệu Không Sẵn sàng - Not Ready (NRDY) để báo cho hệ thống biết rằng nó không thể xử lý yêu cầu. Khi thiết bị đã sẵn sàng, nó sẽ gửi tín hiệu Điểm đến Sẵn sàng - Endpoint Ready (ERDY) tới hệ thống, sau đó hệ thống sẽ lên lịch lại việc truyền dữ liệu.

Việc sử dụng unicast và lượng giới hạn các gói tin multicast kết hợp với các thông báo không đồng bộ, cho phép các liên kết không chủ động chuyển các gói tin sẽ được đưa vào trạng thái tiêu thụ điện thấp, giúp quản lý điện năng tốt hơn.

Mã hóa dữ liệu

Tất cả dữ liệu được gửi dưới dạng một chuỗi các đoạn 8 bit (một byte) được mã hoá và chuyển đổi thành các ký hiệu 10-bit thông qua phương pháp mã hóa 8b/10b. Điều này giúp bên nhận giải mã chính xác ngay cả khi có nhiễu điện từ (EMI). Sự xáo trộn được thực hiện bằng cách phương pháp đăng ký thay đổi hồi quy tuyết tính - linear feedback shift register (LFSR). LFSR được đặt lại bất cứ khi nào một biểu tượng COM được gửi hoặc nhận.

Không như các chuẩn trước, chuẩn USB 3.0 không trực tiếp chỉ định độ dài tối đa của dây cáp, chỉ yêu cầu rằng tất cả các cáp đạt được các yêu cầu sau: với các cáp đồng AWG 26 dây thì độ dài dây tối đa là 1,3 mét (4,3 ft)[Chuyển đổi: Số không hợp lệ].[10]

Nguồn và sạc điện

USB 3.0 cũng có nguồn ra 5 volts như các phiên bản trước. Đối với các thiết bị SuperSpeed tiêu thụ điện năng thấp, dòng điện ra  là một đơn vị tải (hoặc 150 mA). Đối với các thiết bị SuperSpeed tiêu thụ điện năng lớn thì giới hạn là 6 đơn vị tải hoặc 900 mA, (4,5 W).:section 9.2.5.1 Power Budgeting