La téléphonie mobile permet d'échanger des signaux (voix ou données) grâce aux ondes radios qui se propagent dans l'air. Selon que l'utilisateur parle ou écoute, le téléphone émet ou reçoit des ondes : il échange des signaux avec l'antenne-relais la plus proche, qui lui envoie d'autres signaux en retour. Un téléphone mobile ne peut donc pas fonctionner sans antenne-relais.
Au début d'un appel, la puissance du mobile est à son niveau maximal garantissant ainsi une communication optimale. Un dispositif de contrôle de puissance permet ensuite de la réduire en quelques secondes, jusqu'à ce qu'elle se stabiliser à un niveau compatible avec une qualité de communication satisfaisante. Le contrôle de puissance permet d'économiser la batterie et de réduire les interférences avec les antennes-relais voisines. Il a également pour effet de réduire la portée des ondes et de diminuer l'exposition de l'utilisateur.
Le cheminement d’un appel
Un utilisateur (1) compose le numéro d'appel de son correspondant. Le signal est transmis par voie aérienne à l'antenne-relais la plus proche (2). La station de base correspondante (3) récupère l'appel et les transmet via le réseau (4) :
- Soit vers une autre antenne-relais (5) qui transmet le ou les signaux émis par voie aérienne vers le téléphone mobile du destinataire (6).
- Soit directement vers un téléphone fixe (7) via un câble souterrain, par exemple, si le numéro composé correspond à un numéro fixe.
Les ondes électromagnétiques

Les ondes utilisées en téléphonie mobile sont de même nature que la lumière ou que les ondes de la télévision. Elles sont dites électromagnétiques car elles se propagent sous la forme d'un champ électrique associé à un champ magnétique. Cette propagation se caractérise par un affaiblissement progressif.
Les ondes électromagnétiques sont classées en fonction de leur fréquence: on distingue les rayonnements ionisants (fréquence très élevée comme les UV ou rayons X, des rayonnements non ionisants (plus basse fréquence). Les ondes radio font partie des rayonnements non ionisants.