Google Pay использует технологию беспроводной передачи данных малого радиуса (NFC) для передачи данных карты продавцу. Он заменяет чип с ПИН-кодом либо магнитную полосу на кредитной и дебетовой картах, позволяя пользователю загрузить эти данные в устройство. Пользователь может добавить платёжную карту в сервис, сделав фото карты либо введя информацию о карте вручную. Для совершения платежа необходимо поднести платёжное устройство к терминалу оплаты и задержать его до завершения транзакции. Подобный платёж аналогичен повсеместно используемой бесконтактной оплате, но, в отличие от последней, требует двухфакторной аутентификации для повышения уровня безопасности. Сервис позволяет устройству под ОС Android установить беспроводную связь с терминалом продаж с помощью NFC в качестве антенны, технологии эмуляции хост-карты и системы безопасности Android.

Google Pay использует возможности биометрических систем аутентификации, таких как сканер отпечатка пальца и сканер радужки глаза, в случаях, когда это возможно. На устройствах без биометрических сканеров система активируется вводом пароля. Когда пользователь совершает оплату, Google Pay отправляет сгенерированный номер виртуального счёта, который предоставляет базовую информацию о счёте пользователя, вместо того, чтобы отправлять исходные данные дебетовой или кредитной карты пользователя вместе с платежом. Такой подход позволяет сохранять информацию о платёжных данных клиента в безопасности. Сервис имеет также функцию умной аутентификации — система определяет, является ли устройство в безопасном состоянии (к примеру, если оно было разблокировано в ближайшие 5 минут) и решает, нужно ли запросить у пользователя данные для разблокирования экрана[4].

Однако при оплате покупок на сумму не более 1000 рублей (для России) телефон достаточно просто вывести из спящего режима без разблокирования экрана. Это является серьёзным недостатком в плане безопасности платежей.

С 20 февраля по всему миру происходит обновление сервисов Google с объединением Wallet и Android Pay под единым приложением в маркете Google Pay.