Третьим и самым нижним уровнем представления базы данных является физический уровень. Физическая организация данных оказывает основное влияние на эксплуатационные характеристики проектируемой базы, так как именно на этом уровне осуществляется ее привязка к физической памяти. На этапе физического проектирования улучшение эксплуатационных характеристик достаточно легко измерить. Рассмотрим процесс физического проектирования по этапам: проектирование формата хранимой записи; кластеризация хранимых данных; проектирование метода доступа; вопросы целостности и безопасности данных; проектирование программ. Очень важен при физическом проектировании выбор критерия оценки производительности. От этого зависит не только выбор конкретного решения, но и методы, которые при этом будут использоваться. Основная проблема, которую должен рассматривать проектировщик физической базы данных, состоит в том, как минимизировать настоящие и будущие эксплуатационные затраты на вычислительные ресурсы и удовлетворение потребностей пользователей (таких, как своевременность представления информации, достоверность данных).