NB-IoT的物理層位于無線接口協議棧的最底層，提供物理介質中數據傳輸所需要的所有功能。物理層為MAC層和高層提供信息傳輸的服務。其中，物理層用來解決如何通過無線接口來傳輸數據，其余內容無關，而MAC層決定發送什么樣的內容。
NB-IoT的物理層設計實在E-UTRAN物理層的基礎上做了一些修改，具體如下：
每個NB-IoT載波只使用一個PRB。
下行只支持E-UTRAN中的15kHz子載波間隔
上行引入了Single-tone傳輸，此時在15kHz子載波間隔的基礎上，增加了3.75kHz子載波間隔。在3.75kHz子載波間隔的情況下，窄帶時隙長度定義為2ms。
上行引入了Multi-tone傳輸，支持15kHz的子載波間隔。
窄帶物理層上行鏈路共享信道(Narrowband Physical Uplink Shared Channel，NPUSC)子載波間隔為15kHz時，只支持LTE系統常規循環前綴。
NPRACH使用Single-tone調頻傳輸方式。
只支持FDD，UE只支持半雙工方式。
支持獨立部署、保護帶部署、帶內部署3種模式。
MIB消息在NPBCH中傳輸，其余信令消息和數據在NPDSCH上傳輸，窄帶物理層下行鏈路控制信道(Narrowband Physical Downlink Control Channel，NPDCCH)負責控制UE和eNB基站之間的數據傳輸。
NB-IoT下行調制方式為QPSK。NB-IoT下行最多支持兩個天線端口：AP0和AP1。
和LTE系統一樣，NB-IoT也有物理層小區標志(Physical Layer Cell Identity，PCI)，稱為窄帶物理小區標志(Narrowband Physical Cell ID，NCellID)，一共定義了504個NCellID。
