MIDI представляет собой последовательный интерфейс передачи данных со скоростью 32,25 килобод. Используются 5-контактные DIN-разъемы и экранированный кабель с двумя проводниками. На большинстве современных синтезаторов существует три MIDI-порта - IN, OUT и THRU. Назначение первых двух понятно из названия (вход и выход), на порт THRU (от английского through, через) в неизменном виде подается информация, приходящая на вход (IN) устройства. Это позволяет каскадировать приборы один за другим.

По одному физическому MIDI-соединению передается 16 «виртуальных» MIDI-каналов. На синтезаторе для каждого из MIDI-каналов устанавливается нужный тембр и инструмент может играть одновременно разные музыкальные партии (каждая на отдельном канале) несколькими звуками.

Для того чтобы некоторая нота зазвучала на определенном MIDI-канале, синтезатор должен получить сообщение «Note On». Оно состоит из трех байтов - в первом кодируется тип сообщения (Note On) и номер канала (0-15), во втором высота ноты (128 ступеней по полтона), а в третьем громкость взятой ноты (тоже 128 ступеней). Почти такое же сообщение (только с типом Note Off) необходимо для того, чтобы инструмент прекратил воспроизводить данную ноту. Такая простая организация позволяет довольно эффективно использовать не очень высокую пропускную способность MIDI, при этом иметь до 16 каналов в одном последовательном интерфейсе. Из-за «последовательности» в MIDI невозможно сделать так, чтобы две ноты звучали абсолютно одновременно. Однако задержки между одновременно взятыми нотами в аккорде минимальны (единицы миллисекунд) и становятся заметны только в очень насыщенных произведениях.

Кроме команд «Note On» и «Note Off» в MIDI предусмотрено множество других сообщений. Прежде всего это контроллеры, с их помощью можно в реальном времени изменять звучание тембра (если последний это поддерживает). Например, можно плавно менять высоту взятой ноты, создавать эффект вибрато и делать множество других вещей. Вообще же живучесть MIDI (почти 20 лет) объясняется тем, что разработчики заложили в стандарт возможности к расширению. В MIDI существует множество не стандартизированных команд, которые производитель может использовать по своему усмотрению (при этом не понимающий этих команд прибор их просто проигнорирует), а кроме того возможно расширение формата при помощи стандартизации новых команд по предложению производителей (этим и занимается MMA в настоящее время). Сейчас MIDI используется не только по своему прямому назначению (игра на синтезаторах), но и во многих смежных областях, таких как синхронизация аудио/видеоустройств и даже управление световыми эффектами.