O NVMe utiliza o barramento PCI Express para comunicação direta com o processador, oferecendo maior largura de banda e menor latência que o SATA, que utiliza um controlador intermediário.

O SATA utiliza o barramento PCI Express para transferência de dados, enquanto o NVMe utiliza o protocolo AHCI sobre barramento serial, sendo esse o principal fator de diferença de desempenho entre os dois padrões.

O NVMe e o SATA utilizam o mesmo barramento físico, diferenciando-se apenas pelo protocolo de comunicação, sendo o NVMe compatível com o protocolo AHCI e o SATA, com o protocolo PCIe.

O SATA III oferece largura de banda superior ao NVMe em operações sequenciais, sendo o NVMe indicado apenas para operações aleatórias de leitura em dispositivos de armazenamento empresariais.

O NVMe é uma evolução direta do padrão SATA, utilizando o mesmo conector físico e protocolo de comunicação, diferenciando-se apenas pela frequência de operação do barramento serial.