Нижний уровень git является так называемой контентно-адресуемой файловой системой. Инструмент командной строки git содержит ряд команд по непосредственной манипуляции этим репозиторием на низком уровне. Эти команды не нужны при нормальной работе с git как с системой контроля версий, но нужны для реализации сложных операций (ремонт поврежденного репозитория и так далее), а также дают возможность создать на базе репозитория git своё приложение.

Для каждого объекта в репозитории вычисляется SHA-1-хеш, и именно он становится именем файла, содержащего данный объект в каталоге .git/objects. Для оптимизации работы с файловыми системами, не использующими деревья для каталогов, первый байт хеша становится именем подкаталога, а остальные — именем файла в ней, что снижает количество файлов в одном каталоге (ограничивающий фактор производительности на таких устаревших файловых системах).

Все ссылки на объекты репозитория, включая ссылки на один объект, находящийся внутри другого объекта, являются SHA-1-хешами.

Кроме того, в репозитории существует каталог refs, который позволяет задать читаемые человеком имена для каких-то объектов Git. В командах Git оба вида ссылок — читаемые человеком из refs, и нижележащие SHA-1 — полностью взаимозаменяемы.

В классическом обычном сценарии в репозитории git есть три типа объектов — файл, дерево и «коммит». Файл есть какая-то версия какого-то пользовательского файла, дерево — совокупность файлов из разных подкаталогов, «коммит» (англ. commit — фиксация) — дерево и некая дополнительная информация (например, родительские коммиты, а также комментарий).

В репозитории иногда производится сборка мусора, во время которой устаревшие файлы заменяются на «дельты» между ними и актуальными файлами (то есть, актуальная версия файла хранится неинкрементально, инкременты используются только для возврата к предыдущим версиям), после чего данные «дельты» складываются в один большой файл, к которому строится индекс. Это снижает требования по ёмкости хранения.

Репозиторий Git бывает локальный и удалённый. Локальный репозиторий — это подкаталог .git, создается (в пустом виде) командой git init и (в непустом виде с немедленным копированием содержимого родительского удаленного репозитория и простановкой ссылки на родителя) командой git clone.

Практически все обычные операции с системой контроля версий, такие, как коммит и слияние, производятся только с локальным репозиторием. Удалённый репозиторий можно только синхронизировать с локальным как «вверх» (push), так и «вниз» (pull).

Наличие полностью всего репозитория проекта локально у каждого разработчика дает Git ряд преимуществ перед SVN. Так, например, все операции, кроме push и pull, можно осуществлять без наличия интернет-соединения.

Очень мощной возможностью git являются ветви, реализованные куда более полно, чем в SVN: по сути, ветвь git есть не более чем именованная ссылка, ук��зывающая на некий коммит в репозитории (используется подкаталог refs). Коммит без создания новой ветви всего лишь передвигает эту ссылку на себя, а коммит с созданием ветви — оставляет старую ссылку на месте, но создает новую на новый коммит, и объявляет её текущей. Заменить локальные девелоперские файлы на набор файлов из иной ветви, тем самым перейдя к работе с ней — так же тривиально.

Также поддерживаются субрепозитории с синхронизацией текущих ветвей в них.

Команда push передаёт все новые данные (те, которых ещё нет в удаленном репозитории) из локального репозитория в репозиторий удалённый. Для исполнения этой команды необходимо, чтобы удалённый репозиторий не имел новых коммитов в себя от других клиентов, иначе push завершается ошибкой, и придётся делать pull и слияние.

Команда pull — обратна команде push. В случае, если одна и та же ветвь имеет независимую историю в локальной и в удалённой копии, pull немедленно переходит к слиянию.

Слияние в пределах разных файлов осуществляется автоматически (все это поведение настраивается), а в пределах одного файла — стандартным трёхпанельным сравнением файлов. После слияния нужно объявить конфликты как разрешенные.

Результатом всего этого является новое состояние в локальных файлах у того разработчика, что осуществил слияние. Ему нужно немедленно сделать коммит, при этом в данном объекте коммита в репозитории окажется информация о том, что коммит есть результат слияния двух ветвей и имеет два родительских коммита.

Кроме слияния, Git поддерживает ещё операцию перемещения (англ. rebase). Эта операция есть получение набора всех изменений в ветви А, с последующим их «накатом» на ветвь B. В результате ветвь B продвигается до состояния AB. В отличие от слияния, в истории ветви AB не останется никаких промежуточных коммитов ветви A (только история ветви B и запись о самом rebase, это упрощает интеграцию крупных и очень крупных проектов).

Также Git имеет временный локальный индекс файлов. Это — промежуточное хранилище между собственно файлами и очередным коммитом (коммит делается только из этого индекса). С помощью этого индекса осуществляется добавление новых файлов (git add добавляет их в индекс, они попадут в следующий коммит), а также коммит не всех изменённых файлов (коммит делается только тем файлам, которым был сделан git add). После git add можно редактировать файл далее, получатся три копии одного и того же файла — последняя, в индексе (та, что была на момент git add), и в последнем коммите.

Имя ветви по умолчанию: master. Имя удалённого репозитория по умолчанию, создаваемое git clone во время типичной операции «взять имеющийся проект с сервера себе на машину»: origin.

Таким образом, в локальном репозитории всегда есть ветвь master, которая есть последний локальный коммит, и ветвь origin/master, которая есть последнее состояние удалённого репозитория на момент завершения исполнения последней команды pull или push.

Команда fetch (частичный pull) — берёт с удаленного сервера все изменения в origin/master, и переписывает их в локальный репозиторий, продвигая метку origin/master.

Если после этого master и origin/master разошлись в стороны, то необходимо сделать слияние, установив master на результат слияния (команда pull есть fetch+merge). Далее возможно сделать push, отправив результат слияния на сервер и установив на него origin/master.

Детали реализации в Windows

В Windows-версии (официальная Windows-версия называется mSysGit) используется пакет mSys — порт POSIX-совместимой командной строки под Windows из проекта MinGW. Под mSys перенесены все необходимые для Git библиотеки и инструменты, а также сам Git. При работе с удалёнными репозиториями по протоколу SSL используется хранилище сертификатов из mSys, а не из Windows.

Существует немало графических оболочек для Git для Windows, например, TortoiseGit. Все они реализованы через вызовы mSysGit и требуют его установки на машину. Не исключение и SourceTree, решение компании Atlassian, но mSysGit оно содержит внутри себя, что имеет свои плюсы и минусы (так установка в глубокий подкаталог затрудняет добавление в mSys нужных SSL-сертификатов).

Поскольку в Windows используется отличный от большинства Unix-подобных систем символ конца строки, для работы коллективов, использующих разные операционные системы, предусматриваются параметры (как для клиентов, так и уровня репозитория), обеспечивающие унифицированное представление конца строки.