Служит для доставки данных между сетями с разными топологиями и различными протоколами канального уровня. Сообщения сетевого уровня называются "пакетами" (packet). В заголовке пакета записывается номер сети и номер компьютера в этой сети. Сети соединяются между собой специальными устройствами - маршрутизаторами. Маршрутизатор решает задачу выбора наилучшего пути передачи пакета с точки зрения времени и надежности. Протоколы сетевого уровня реализуются программными модулями операционной системы, а также программными и аппаратными средствами маршрутизаторов.
Примером протокола сетевого уровня является базовый протокол сети Internet - протокол IP (Internet Protocol).