在BB84协议中，通信双方选取四个非正交量子态，如使用单光子的4种偏振态，对经典比特串进行编码：水平和垂直两种偏振态，以及45°斜向上和-45°斜向下偏振态。水平或斜向下-45°的光子偏振方向代表比特0，另外两个偏振方向编码1。

信息发送方艾丽斯将编码后的光子逐一发送给接收方鲍勃。鲍勃随机选择水平垂直基或正负斜向基测量光子。所有光子分发完成后，艾丽斯和鲍勃公开使用的基，基不同的结果全部丢弃。然后艾丽斯和鲍勃公开对比部分测量结果，计算出误码率。2000年，P.肖尔和J.普里斯基尔证明，若误码率不高于11%，则可以进行纠错和私密放大，获得安全的密钥。

BB84协议安全性证明要求通信者使用的是量子态，对应于实验，要求艾丽斯使用理想单光子光源，鲍勃使用理想的单光子探测器。在理想条件下，BB84协议是无条件安全的，即窃听者所能得到的关于密钥的信息可以任意小。

在实际中，一般使用弱相干光源代替理想单光子光源，单光子探测器探测效率一般远小于1。这些器件的非理想性，为侧信道攻击带来了可能。比较著名的针对BB84协议的侧信道攻击方案包括脉冲时移攻击、强光致盲攻击等。