1878年，康乃狄克州的纽黑文市开设了第一个电信交换局。交换板用“车身螺丝”制成，话筒盖和电话绳连接着手柄。它可以同时处理两路会话。

随后，电话接线员开始处理一到数百个接驳板的组合。每个接线员座位周围可能有一面到三面接驳板，板上是一排排¼英寸耳机插座，前面还有电话线。每条线都是一路电话线的端点。当呼叫方提起话机，对应的插座附近会有灯亮起，然后接线员可以拿起话筒然后询问“电话号码多少？”。随后，如果电话号码在他管理的范围之内，就将插头插进一个本地的插孔，然后被叫方就开始响铃了。如果不归他管辖，他就插进一个交接电路。这时，可能在其他接驳板前面的接线员，也可能千里之外的另一个房间的接线员会进行下一步处理。

1891年3月10日堪萨斯州托贝卡的殡葬工阿尔蒙·斯特罗格发明了斯特罗格交换机，又名步进式交换机。这种设备将电话电路交换技术带入自动化时代。尽管在原始的专利基础上有许多扩充和改良，但最为人熟知的设计就是安排10层接触器每个有10个不同输出，围成一个圆弧，然后圆心处设置一个连接到输入的中心接触器。当用于拨号电话时，每拨打两个号码，第一个号码使中心接触器升降到对应的一层，第二个号码则使它转动到该层对应的10个接触器中某一个。

这些步进开关排成一排，其中第一个用来检测“提机”的用户线，称为“线路发现器”，最多可检测100条。线路发现器将用户线连至一个“拨号音”线路，使用户知道已经可以拨号。随后用户进行脉冲拨叫，速度为每秒10个脉冲左右（不同的国家有不同的规定）。

基于斯特罗格设计的交换机后来受到纵横式交换机（又名纵横制交换机）技术的挑战。新式电话交换机保证更快的交换速度，并可以接受大约20脉冲每秒的拨号速度，比斯特罗格的10脉冲每秒高约一倍。使用双音多频（DTMF）信令的固体继电器交换机（可以支持按键式拨号）在纵横式交换机彻底取代步进式之前成为最后的赢家。在中国，尽管也有几种纵横制交换机（部分为自行研制）投入使用，但尚未普及即被更先进的程控交换机取代。

有一种从脉冲拨号到双音多频拨号的过渡技术使用DTMF“连接发现器”将DTMF转换为脉冲，然后送到旧的步进式或者纵横式交换机去。这种技术直到1990年代末仍在使用。

人工服务的情况下，用户摘机并请接线员接通某一号码. 如果被叫号码在同一个中心局, 接线员通过将线插入交换台上对应被叫用户线的插孔来建立通话。如果通话是连到其他中心局，接线员则插入其他局的中继线路，并要求该局接线员应答 (称为“转入”接线员)并建立通话。

各大城市多数人工交换局都是共电式的，电话线路由中心局供电。当用户提起话机，线路状态转变为提机，在接线员地交换台上面会有灯亮起，蜂鸣器响起。在一般的共电系统，从用户电话机到交换机（或者人工交换局）的一对电缆在电话挂机或者空闲状态时是开路的。从电话局穿过导线到达端点时，两端有48伏直流电压。当用户提机，电话在两条线之间加上一个直流阻抗。在人工交换过程里，通过提机状态的电流会流过接线员控制台上的蜂鸣器和灯。蜂鸣器和灯告诉接线员，有个用户提机请求服务了。如果连到交换机的时候，提机时则会通过合上一个继电器使用户线连至拨号音以及收号设备。

较小的城镇里，早期一般采用磁石电话，或者摇柄电话。用户转动摇炳发出电流激活呼叫状态，通知接线员有呼入。在用户家里的电池提供会话所需电流。磁石系统直到1980年代末期仍在美国一些小镇使用。

在有数百个中心局的大城市如纽约市，要花很多年才全部从人工转变成拨号服务。在此过程中，为了将转接到人工局的服务自动化，使用了一种能显示用户所拨号码的特殊交换台。例如，如果MUrray Hill交换局的用户拿起电话并拨打CIty Island交换局的用户，用户将不需要知道目标电话号码是手工接线的。拨打该号码会连接到CIty Island交换局的入线接线员，他能从交换台上看到电话号码，从而将线路插入适当的插孔。

程控交换，或拨号服务，在1900年代早期就已经出现。其目的是减少人工电话接线员。在程控交换出现以前，接线员必须对每一个电话呼叫完成连接的工作。几乎所有地方的接线员都被程控交换所取代。电话交换机就是程控交换的神经中枢。它能将一个呼叫从一个电话路由到另一个，一般来说是公共交换电话网（PSTN）的一部分。

本地交换机可以自动感应电话的提机状态，并为该电话提供拨号音，接受脉冲或者DTMF号音，然后将呼入电话连接到同一个交换机的被叫电话，或者远方的另一个交换机。

交换机随后保持连接直到有一方挂机，此时连接断开。对连接状态的跟踪称为监控。也可以让交换机集成更多的功能组件，例如计费设备等。

贝尔系统的拨号服务实现了一个名为“自动号码识别”（ANI）的特性。ANI可以支持一些服务如自动计费、免费800号码、以及911（紧急报警电话）等。在人工接线服务里面，操作员可以根据交换台上亮起的灯在哪个耳机孔附近确定呼叫方是谁。在早期的拨号服务里没有ANI。长途电话会由一队操作员处理并且他们会询问呼叫方的电话号码，然后写在纸质票据上面。

早期的交换机的部件包括马达、凸轮、旋转开关和继电器等。某种程度上，交换机是继电器逻辑的计算机。自动交换机有斯特罗格式（也称为步进交换机）、全继电器式、X-Y式、配电盘式以及纵横式交换机等一些类型，统称为机电式交换机。

数字交换机根据所拨的电话号码，将两个或多个数字虚电路连接起来完成交换。在两台交换机之间建立起呼叫需要用到七号信令协议（或其变种）。根据Federal Standard 1037C（美国国家标准）及MIL-STD-188（美国军方标准），在美国和军事通讯中，数字交换机是指执行数字信号的时分复用交换的设备。1980年代以后建造的所有交换机都是数字的，所以这种术语上的区分是没有差别的。本节描述数字交换机，包括算法和设备。

数字交换机在极短的时间片（一秒很多个）内对语音进行编码。在每一个时间片，实时产生语音信号的数字表示方式。所产生的数位将被发送至接收端，那里则反过来在接收端的电话中产生声音。换句话讲，当你使用电话时，你的声音被编码，然后在对方那里重新产生声音。在整个过程中，你的声音只发生了非常小，一般只有几分之一秒的延迟。换句话说，电话并不是真正的实时通信，因为声音需要重新产生，但只延迟了非常短的时间。

每个本地环路电话线都连接到一个远程集中器。集中器在很多情况下位于交换机所在的同一座建筑。在集中器和电话交换机之间的接口由欧洲电信标准协会规范为V5协议。

某些电话交换机并不直接连接到集中器，而只用于和其他交换机连接。通常一个中心交换局里面会有一个或多个复合机器被称为“载波级”交换机或者汇接器。

电话交换机通常由电信服务提供商或者“中转商”拥有和运作，也会放在他们自己的建筑物里。但有时候独立的企业或者私营商业单位也会在自己的地方放置自己的交换机，称为用户交换机（PBX）。

电话交换机只是庞大的电信网络中的一小部分。电话系统最艰巨的工作和最昂贵的部分是中心局外面的布线。早期的电信系统中，每个用户号码需要从交换机到用户电话拉一根线。普普通通的一个交换局可能有数万对线连接到终端盒上（称为总配线架，MDF）。MDF有保护部件如放电管等防止电源线短路或者外部电压过高等。典型的电话公司里有一个大数据库跟踪每一对用户线。在1980年代贝尔系统的记录系统电脑化之前，这些信息是用铅笔写在账本上的。

为了减少外部电路的成本，一些电信公司采用“线对增容”设备来为用户提供电话服务。这些设备用于在现有铜线已经用完或者在附近就有用户时，可以减少铜线对的长度，并可以使用ISDN或者DSL这些数字服务。线对增容或者数字环路载波（DLC）放置在中心局以外，通常是在大用户旁边，距离中心局有一定距离的地方。

DLC常常指的是用户环路载波（SLC），在朗讯为其线对增容的专有设备起了专有名字之后，早期的SLC系统（SLC-1）使用模拟载波在中心局和远端之间通信。随后的系统（SLC-96、SLC-5）和其他厂商的DLC产品如线路卡可将模拟信号转换为数字信号（使用PCM编码）。这种数字信号可以通过铜线、光缆或其他传输介质传送到中心局。其他组件包括用以产生振铃电流的振铃发生器和备份电池等。

DLC线路可以配制成通用的（UDLC）或者集成的（IDLC）。通用DLC有两个终端，一个中心局终端（COT）和远程终端（RT），其功能是一样的。两个终端都直接面对模拟信号，并将它们转换成数字信号，并传送到另一方。有时候，传送是由独立设备处理的。在集成的DLC里，不用COT。相反，RT通过数字方式连接到电话交换机。这减少了所需设备的数量。某些标准如Telcordia的TR/GR-008和TR/GR-302涵盖了DLC。

交换机也用于两个中心局之间以及长途中心局中。

与中心局相比，长途交换机可能使用较慢但更有效的交换分配算法，因为它们的输入输出通道使用率接近100%。中心局则有超过90%的通道容量闲置。

传统电话交换机连接到物理电路（即线对），现代电话交换机则使用多路设备和时分交换技术。换句话说，每条语音通道是在一条物理线对（用A或者B表示）上面的时隙（用1或者2表示）。为了把两条语音通道（例如A1和B2）连接起来，电话交换机会将A1和B2上面的信息进行交换，如果交换机同时具有这两条物理连接和时隙的话。为了做到这点，它需要在时隙和连接之间以每秒钟8000次的速度交换数据。这是在用于循环处理当前连接的电子列表的数字逻辑电路控制之下进行的。利用这两种类型的交换技术使现代交换机比不使用多路和时分技术的交换机体积减少很多。

交换机结构使用更小、更简单的子交换机组成奇数个层次。每一层的每个子交换机互相连接，然后与下一层的子交换机连接。多数的设计中，物理交换层与时间交换层是交错的。这些层的负载是平衡的，因为电话系统里面主叫方同时也可以充当被叫方。

时分交换机读取将一个时隙循环完整读入记忆体，然后以不同的顺序写入，同样是在一个循环电脑记忆体的控制下。这会导致一些信号延迟。

多路交换机交换的是电路，常常使用非阻塞最小跨度交换的某种变体，或者使用交叉直通交换机。

中国大陆采用四级汇接辐射长途电话网络。

结构上，C1局全部互联并辐射到所有C2局，C2局向C3局辐射，C3局向C4局辐射。此外，北京到各省中心局都有直达电路，各大区（C1辖区）各省中心局之间基本互联，此外还有其他直达线路以提高效率。

北京和重要省会城市等城市使用三位区号，北京为“010”，重要省会城市则以“02”开头。其他则用四位。普通固定电话号码首位不用1、0，9则用于本地区的专用服务台例如声讯台等。长途区号的首位如下分配（有例外）：

为了确保电话连接总能成功，一种方法是建造完全连接网络，也就是所有的交换机之间都互相互联。这种方法通常用于中心局内部的交换机，其资源利用率较低。

子交换机之间的层闲连接是交换系统中的短缺资源。控制逻辑必须分配好这些链接，多数交换机通过一种可容错的方法实现。参见非阻塞最小跨度交换里面关于查理斯·克鲁斯算法的讨论，它用于许多电话交换机，并也许是现代工业中最重要的算法之一。

组合交换机本质上有很好的容错性。如果一个子交换机崩溃，控制电脑会在周期性检测过程中发现。然后电脑会将所有到该子交换机的链接标记为“占用”。这可以防止新的呼叫进入该交换机，也不会中断还在通话的呼叫。这样，在这些呼叫结束后，子交换机就不再使用了。一段时间之后，就会有技术人员来更换电路板。下一次测试如果能成功，到这个修理好的子交换机的连接将被标记为“空闲”，于是交换机恢复所有功能。

为了防止一些检测不出的错误，交换机内所有层间的链路通过一个先进先出队列进行分配。这样，如果有用户提机并重拨，他们就会由子交换机之间不同的链路服务。后进先出的链路分配可能导致用户老是拨号失败。