Warstwa sieciowa jako jedyna dysponuje wiedzą dotyczącą fizycznej topologii sieci. Jest odpowiedzialna za wyszukanie najlepszej drogi łączącej dwa komputery (trasowanie), które według warstwy łącza danych, mogą się znajdować w oddzielnych sieciach.
Warstwa ta zajmuje się przekazywaniem danych od nadawcy do adresata przez sieć lub kilka sieci. W tym celu wybiera metodę zestawienia połączenia, które służy wymianie danych, czyli dobiera kanały komunikacyjne. Przykładowo może to być komutacja pakietów lub komutacja łączy. Warstwa ma za zadnie dostarczyć logiczną adresacje.
Adres odbiorcy wiadomości jest najważniejszym elementem analizowanym przez warstwę sieciową. Warstwa sieciowa umieszcza dane w pakietach, jeżeli wysłane pakiety są zbyt duże w stosunku do topologii stacji docelowej, warstwa sieciowa zapewnia podział pakietów. Po dotarciu do celu pakiety te są łączone ponownie. Do poszczególnych pakietów danych przypisywane są adresy, i przekazywane są do warstwy łącza danych. Po stronie odbiorczej zachodzi proces odwrotny. Warstwy 1-3 tworzą podsieć komunikacyjną.
Jednym z protokołóww warstwie sieciowej jest IP (Internet Protocol).
IP ma za zadanie zarządzać adresowaniem przesyłek i tłumaczeniem adresów logicznych (adres IP) na fizyczne (MAC).
