SDH fasst in einem synchron getakteten Netz n Signale mit einer Bitrate von b zu Datenströmen mit n x b Bitraten zusammen. Die einzelnen Übertragungsstrecken arbeiten im Gegensatz zu PDH mit minimalsten Taktabweichungen. Dank der synchronen Arbeitsweise ist es möglich, Multiplex-Signale niedriger Ordnung wie zum Beispiel Kommunikationsverbindungen von Telefonanlagen in höhere Hierarchiestufen per add und drop einzugliedern und wieder herauszulösen. Gemäß der im Standard definierten Stufen kennt SDH verschiedene Hierarchien wie STM-1, STM-4, STM-16 oder STM-64 (155 MBit, 622 MBit, 2.488 MBit, 9.953 MBit) und weitere. Für OAM Aufgaben (Operations, Administration and Maintenance) sind etwa fünf Prozent der Bruttodatenrate reserviert. Die Daten werden in Containern transparent durch das SDH Netz transportiert.
Auf dem physikalischen Layer verwendet die Digitale Synchrone Hierarchie Verbindungen auf Basis von Kupferleitungen, Glasfasern oder Satelliten- und Richtfunkverbindungen. Verzerrte oder gedämpfte Signale können mittels Regeneratoren wieder aufgefrischt werden. Auf dem darüber liegenden Layer fassen Multiplexer die Signale zu hochbitratigen Datenströmen zusammen. Schließlich transportieren virtuelle Container die einzelnen Nutzdaten-Container und regeln das Mapping der verschiedenen Signale unterschiedlicher Bitraten.