A hálózati réteg szolgáltatást nyújt a szállítási rétegnek. Alapulhat virtuális áramkörökön vagy datagramokon. Mindkét esetben a legfontosabb feladata, hogy a csomagok útválasztását végezze a forrástól a célig. A datagramalapú hálózatok az útválasztási döntést az egyes csomagok alapján hozzák meg. A virtuálisáramkör-alapú hálózatokban akkor hoznak útválasztási döntést, amikor az áramkör felépül.

A számítógép-hálózatokban sokféle útválasztó algoritmus használatos. A statikus algoritmusok közé tartozik például a legrövidebb útalapú útválasztás és az elárasztás. A dinamikus algoritmus a távolságvektor és a kapcsolatállapot-alapú útválasztás. A legtöbb meglévő hálózat ezek valamelyikét használja. Egyéb, fontos útválasztási területek: a hierarchikus útválasztás nagy hálózatokban, mozgó hosztok útválasztása, az adatszóró útválasztás, a többesküldéses útválasztás és a bárkinek szóló útválasztás.

A hálózatokban könnyen torlódás léphet fel, ami megnöveli a csomagok késleltetését és a csomagvesztést. A hálózattervezők a torlódást megfelelő tervezéssel igyekeznek elkerülni. A módszerek között van az elegendő kapacitás, a torlódás nélküli útvonalak kiválasztása, a további forgalom visszautasítása, a lassítási jelzés küldése a források számára, valamint a terhelés eltávolítása.

A torlódások puszta kezelésén túl a következő lépés az, hogy ténylegesen megpróbálunk elérni egy szavatolt szolgáltatásminőséget. Néhány alkalmazás többet foglalkozik az átbocsátóképességgel, mások pedig a késleltetéssel és a dzsitterrel. A szolgáltatásminőség különböző szintjeinek szavatolására használatos módszerek között megtalálhatjuk a következők kombinációját: forgalomformálás, erőforrás-foglalás az útválasztókon és a belépés-ellenőrzés. A jó szolgáltatásminőség biztosítása érdekében tervezett megoldások közé tartoznak az IETF által kidolgozott integrált szolgáltatások (beleértve az RSVP-t is) és a differenciált szolgáltatások.

A hálózatok sok mindenben különbözhetnek egymástól, így amikor több hálózatot kapcsolnak össze, adódhatnak nehézségek. Ha a hálózatok maximális csomagmérete eltérő, darabolásra lehet szükség. A különböző hálózatok belül különböző útválasztó protokollokat használhatnak, de külsőleg azonos protokollt kell futtatniuk. Néha a gondokat megkerülhetjük, ha egy csomagot alagút típusú átvitellel viszünk keresztül egy idegen hálózaton, de ha a forrás- és célhálózat is eltérő, akkor ez a megoldás csődöt mond.

Az internetnek sokféle, a hálózati réteghez kapcsolódó protokollja van. Ezek között van a datagramprotokoll, az IP és a hozzá kapcsolódó vezérlőprotokollok is, mint amilyen az ICMP, az ARP és a DHCP. Az MPLS nevű összeköttetés-alapú protokoll IP-csomagokat visz át néhány hálózaton. A hálózatokban használt fő útválasztó protokollok közül a hálózaton belüli forgalomra az OSPF-et használják, a hálózatok közötti forgalomra pedig a BGP-protokollt. Az internet gyorsan kifogy az IP-címekből, ezért kifejlesztették az IP új verzióját, az IPv6-ot, amelynek használata azonban még mindig lassan terjed.