Klassische IT-Systeme sind nur unzureichend gegen Angriffe von außen geschützt. Jedes HSM hingegen ist durch eine Vielzahl von physischen Zugriffsmaßnahmen und Sensoren gesichert. Typisch sind Bohrschutzfolien, das Eingießen von Chips sowie Temperatur- und Spannungssensoren. Versucht beispielsweise jemand, das HSM zu öffnen, indem er etwa Bohrungen am Gerät vornimmt, Schichten durch Säuren abträgt oder das Gehäuse vereist und dann aufbricht, erkennen Sensoren den Angriff sofort, Einbruchsmeldeschalter lösen einen Alarm aus und spezielle, im HSM installierte Applikationen leiten je nach Konfiguration selbstständig Gegenmaßnahmen ein, z. B. das Löschen von Schlüsseln.
Auf diese Weise bieten HSMs höchste Sicherheit vor äußeren physikalischen, chemischen oder mechanischen Angriffen. Tatsächlich existieren bisher keine praktisch durchführbaren Angriffe zur Überwindung all dieser physischen Schutzmaßnahmen.