Der Protokollstapel von Z-Wave arbeitet mit fünf Schichten: Der Bitübertragungsschicht mit dem Medienzugangsverfahren ( MAC), der Transportschicht, der Netzwerkschicht und der Anwendungsschicht.
Z-Wave ist ein Konzept für die Übertragung von kurzen, aus wenigen Bytes bestehenden Nachrichten, die zwischen den Controller-Einheiten und den Z-Wave-Slaves ausgetauscht werden. Die Übertragung der Mess-, Kontroll- und Stelldaten erfolgt schmalbandig, sie ist äußerst zuverlässig und geschieht im Halbduplex. Es geht dabei um kleine Datenmengen, die nicht zeitkritisch sind.
Die unterste Schicht des Z-Wave.Protokollstacks ist der Physical Layer ( PHY). Auf ihm werden die Signale HF-mäßig aufbereitet, moduliert und kanalmäßig zugeordnet. Die Synchronisation der Empfänger erfolgt mittels Präambel. Teil der physikalischen Schicht ist der MAC-Layer für das Medienzugangsverfahren zwischen den Slave- Knoten. Dieses Zugangsverfahren arbeitet mit den Identifikationsnummern der Nodes. Außerdem hat er Algorithmen zur Kollisionsvermeidung, die durch einen Backoff unterstützt werden.
Über die darauf aufsetzende Transportschicht werden die Frames gesendet und empfangen. Des Weiteren werden auf der Transportschhicht das Acknoledgement ( ACK) und die Prüfsumme übertragen. Über der Transportschicht liegt die Netzwerkschicht, die in der OSI-Terminologie als Kommunikationssteuerungsschicht bezeichnet wird. Hier geht es um die Topologie des Z-Wave-Netzes und das Routing zwischen den verschiedenen Knotentypen, das anhand von Routingtabellen ermittelt wird. Die oberste Schicht des Z-Wave-Protokollstacks bildet die Anwendungsschicht in der die Frames mit den zu sendenen und empfangenen Nutzdaten behandelt werden.