地上装置の地上子から、停止信号・速度制限の位置や距離・勾配などの情報をデジタル送信で車上子を介して列車に送り、列車はこれらを基に自車の制動性能と走行距離から刻々の上限速度すなわちパターン（その列車が制動開始から停止・減速するまでの速度変化を表す曲線）を作成し、その上限速度値を用いて速度照査を行う。発生するパターンの最高速度は、車種ごとの最高運転速度+10km/hに設定されており、停止パターンが発生していない状態でも常時有効となる車両最高速度照査も行われている。地上装置はJR東日本・相模鉄道（相鉄）ではI形、JR西日本では1形とも呼ばれているが、後者は列車から次の駅の停車かまたは通過かの「通停判別」とATS-P形を搭載しているとの情報を、地上装置が受信して種別による踏切の定時間制御と信号機の現示アップを行う、地上と車上の双方向に情報を伝達するトランスポンダ式に変更されている。以下、本記事内では便宜上、I形を「JR東日本・相鉄方式」、1形を「JR西日本方式」と記述する。停止信号を基準位置として車上で刻々算出した制限速度値（パターン）と比較して、そこまでに徐々に減速できるため冒進は起こらず、安全のための余裕距離もほとんど不要な優れた方式である。停止信号に対する制限と、4種の速度制限を設定でき、それらのうちの最低値で速度照査を行う。ATS-S・ATS-B形とは異なり、警報ベル音がなったあとに行なう確認扱い動作は必要としない。速度照査はATS-S改良型のような点照査ではなく、安全のための無駄がほとんど要らず、列車の制動性能が正常ならば停止信号冒進は発生しないため、車間を詰めることのできる、非常に安全性の高い方式である。地上のシステムは、符号処理器 (EC) ・中継器 (RP) ・ATS-P形有電源地上子で構成されており、符号処理器は信号機と繋がっており、符号処理器と中継器は電源・情報回路の2つを持つ複合ケーブル、中継器と地上子は接続ケーブルがそれぞれ繋がっている。符号処理器が信号機からの現示条件により、内蔵している電文ROMから制御電文を抽出した後にケーブルにより送られ、中継器がケーブルから送られる制御電文を自分が受け持つ地上子の制御電文と合致する制御電文を蓄積した後に地上子を介して制御電文が車上に送られる。制御方式としては、信号機から600m手前（外方とも呼ばれる）にパターン発生地上子を設置しており、信号機が停止現示の場合に、列車が手前の信号機による注意現示による速度で、その地上子に接近すると、その信号機までの距離などの情報を地上子から送信して、それを車上子が受信して車上に送られ、車上ではそれを元に信号機までのパターンを作成・記憶する。その後、列車がそのパターンの許容速度以下で列車を減速させ停止させれば良いが、列車の速度がパターンの許容速度に接近すると警報器が作動し、警報音鳴動とともに運転台のATS-P車上表示器にて「パターン接近警告」を表示する。さらに列車の速度がパターン速度を超えると、直通ブレーキ系車両では常用最大ブレーキにて列車を停止させ（常用制動は緩解時間が短いので、動作しても遅延が発生しにくい、また車両によっては非常ブレーキをかけると一旦停車するまで緩解できないことがある）、自動ブレーキ車両では非常ブレーキにて停止させる。その後に復帰扱いするとブレーキが緩解する。その他にも信号機がR現示からY現示又はG現示となる現示アップの場合には、その情報を車上に送信してパターンの更新を行う更新用地上子を信号機とパターン発生地上子の間に設置しており、閉塞・出発信号機には3個設置し場内信号機には6個設置されている。またカーブや分岐器での速度制限の場合には、信号機がR現示の場合と同じく、パターン発生地上子からの情報により、速度制限があるカーブや分岐器までとそれに続く速度制限区間のパターンを車上で作成・記憶して、列車をそのパターンに沿って減速させて速度制限区間での速度照査を実施する。ATS-Pが優れている理由は、上述の通り車上演算パターン型照査方式の採用により冒進がなく、各列車のブレーキ性能による最適な照査パターンの作成が可能となることにより、安全かつ高密度運転が実現でき輸送容量を増やすことができる。これはトランスポンダ使用のデジタル方式採用によるものではない。変周型ATS-Sx上位互換でパターン照査を導入したATS-Psはデジタル方式ではないが、同じ点で優れている。反面、降雪時など想定制動性能を保証できない環境下では、安全のための余裕距離がない分、適切な位置までに停止・減速できない恐れがある。現にJR西日本では特急「はるか」において、琵琶湖線で降雪下に280mの冒進事故が発生したことがあった。地上子から情報を受信した列車は、停止現示の信号機やカーブなどの速度制限までの距離に応じてパターンを作成・記憶するが、下り勾配でR現示の信号機がある場合は、地上子から「信号パターン補正」情報を送信してパターンを補正する。信号関係の「保安コード（電文）」はJR各社と相鉄との共通で協議決定すると定められているため、JR各社間・相鉄およびJR東日本・相鉄方式を採用している東京臨海高速鉄道・北越急行とJR西日本方式を採用している智頭急行との相互間で互換性があるが、JR東日本・相鉄とJR西日本で異なるコードとなっているのは「列番情報（JR東日本・相鉄）」「列車選別情報（JR西日本）」「速度制限を許容不足カント量（110mm=振り子式、70mm=高速、60mm=普通、50mm=機関車列車）毎に加算するコード領域（JR西日本）」「架線電圧切替、交直切替（JR東日本のみ）」「新幹線・在来線切替（新幹線直通電車のみ）」「高速許可（かつての北越急行）」である。「速度制限を許容不足カント量ごとに加算するコード領域」については一部の曲線に導入されていたが、1990年（平成2年）ごろの導入以来2005年（平成17年）まで、設定値の約2/3に誤設定があり、多くは間違って共通（=JR東日本・相鉄）方式で設定していたことが尼崎事故調査委員会の指摘により判明した。共通方式設定であれば、制限速度がJR東日本・相鉄と同様に最低車種になるだけとなるため、危険はなかったが、設定作業部局がJR西日本方式として機能拡張されていたことを知らなかった。発表時には誤設定の多数が「共通方式設定」だったことは発表されず、適用ミスで35km/h超過といった危険なミスも多くあって、全国の鉄道事業者に設定値の点検を求めるなど問題になった。なお、このコード領域については、2005年（平成17年）のJR福知山線脱線事故を受けての曲線速度照査義務化に伴い、JR東日本にも採用され、その後ATS-Pの使用を開始した相鉄でも、JR東日本との仕様の共通化の観点からこれを採用している。以上の位置基準型の車上演算型速度照査方式、いわゆるパターン型速度照査が（停止信号）冒進のない安全なATSとしてJR東日本を中心にATS-Pとして普及し、安全度を落とさずに列車間隔を詰め線路容量を増やすことに成功した。その照査方式が自動列車制御装置 (ATC) にも取り入れられDS-ATC/D-ATC/KS-ATC≒ATC-NSなどで採用されて線路容量を増やした。総武快速線 - 横須賀線の東京トンネルや埼京線池袋駅 - 新宿駅間など、在来線のATC区間をATS-Pに換装した例も現れている。また相鉄でも2014年3月30日より全路線でATS-Pを採用した。これは相鉄が2019年11月30日よりJR東日本と相互乗り入れをするためである。しかし、ATS-Pはこうした非常に精密で高価な機器であることから、他のATSとの互換性は無く、独立したATSとして扱わなければならず、またATS-Pを安全かつ正確に作動させるために、専用の電源装置が必要になるほか、車上子も独立して設置しなければならない。この例として、JR東日本が保有する電気機関車EF65 501は、ATS-P設置の際に機器室に同電源装置を設置するスペースが確保できなかったため、運転室の助手席を撤去して設置する工事が行われたことや、JR西日本の所有する113系2000番台ワンマン車で運転室内に電源装置及び関連機器を設置できなかったために一部の座席を撤去して設置した事例などがある。蒸気機関車としては、同じくJR東日本が保有する「C58 239」・「C61 20」・「D51 498」、JR西日本が保有する「D51 200」の4両にATS-Pが追設されているが、JR東日本保有の3両は車上子は先台車上部に設置したため、万一の事故に備えての防護も兼ねて、スノープラウでカモフラージュを行い、装置の存在が目立たないように配慮されている。なお、電源装置はテンダー（炭水車）に設置しているが、設置場所はそれぞれ異なっている。一方、ディーゼル機関車は一部の車両がそれらの防護策を施さず、車上子が見える状態になっている。いずれの車両も、車上子は判別化のため、白色に塗られている。JRにおける車体表記はP。また、JR東日本に乗り入れている東京メトロ05系や07系および15000系、東京臨海高速鉄道70-000形などにおいても同様の車体表記がある。なお、相鉄ではJR東日本直通対応車両を含め、ATS-P搭載車両の車体表記を特に行っていない。