IPv4協議僅能提供約2.5億個IP地址， 即使使用CIDR和NAT等技術進行擴展也無法滿足日益增長的需要。
IETF於1996年開始研究下一代IP協議IPv6， 並於1998年12月正式公布(RFC2460).至2014年10月，通過IPv4使用Google服務的用戶仍占約95%。
IPv6除將IP地址由32位擴展到128位以外還引入了更多擴展：
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擴展的地址層次結構
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靈活的首部格式
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改進的選項
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允許協議繼續擴充
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支持即插即用（即自動配置地址）
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支持資源的預分配
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IPv6首部改為8字節對齊
IPv6 將實現 IPv6 的主機和路由器均稱為結點，IIPv6 地址分配給結點上的接口。一個結點可以有多個單播地址，結點任一接口的單播地址可用來唯一地標志該結點。
IPv6地址可以采用點分16進制記法：
68E6:8C64:FFFF:FFFF:0:1180:960A:FFFF
一串連續的0可以被::取代， 為了避免二義性一個地址中最多出現一次:::
FF05:0:0:0:0:0:0:B3 -> FF05::B3
128位全0地址(縮寫::)代替｀0.0.0.0｀來表示任意地址,本地環回地址為::1.以及本地鏈路單播地址FE80::/10。
IPv6把前三位為001的地址划分為全球單播地址，並將單播地址分為3級：
- 全球路由選擇前綴，占 48 位
- 子網標識符，占16 位
- 接口標識符，占 64 位
IPv6 把原來 IPv4 首部中選項的功能都放在擴展首部中，並將擴展首部留給路徑兩端的源站和目的站的主機來處理。IPv6支持的擴展首部包括:
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逐跳選項
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路由選擇
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分片
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鑒別
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封裝安全有效載荷
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目的站選項
除逐跳選項擴展首部外， 數據報途中經過的路由器都不處理這些擴展首部.
IPv6 數據報的目的地址可以是以下三種基本類型地址之一：
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單播(unicast): 單播就是傳統的點對點通信。
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多播(multicast): 多播是一點對多點的通信。
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任播(anycast): IPv6 增加的一種類型。任播的目的站是一組計算機，但數據報在交付時只交付其中的一個，通常是距離最近的一個。
IPv6把分片限制為由源站來完成, IPv6可以保證的最小MTU（Maximum Transfer Unit) 為1280字節。分片是端到端的，路徑途中的路由器不允許進行分片。
源站也在發送數據前完成路徑最大傳送單元發現(Path MTU Discovery)，以確定沿着該路徑到目的站的最小 MTU。
端到端分片可以減少路由器的開銷，允許路由器在單位時間處理更多的數據報。但是中間路由器不能輕易地改變路由，因為改變路由可能會改變路徑的MTU。
IPv6允許中間路由器采用隧道技術來傳送太長的數據報。當路徑途中的路由器需要對數據報進行分片時，就創建一個全新的數據報，然后將這個新的數據報分片，並在各個數據報片中插入擴展首部和新的基本首部。
路由器將每個數據報片發送給最終的目的站，而在目的站將收到的各個數據報片收集起來，組裝成原來的數據報，再從中抽取出數據部分。