OSI nin 3. katmanı ağ katmanı olarak adlandırılır. Ağ katmanı, değişken uzunluklu veri dizilerinin(datagram) bir ağ düğümünden aynı ağa bağlı başka bir ağ düğümüne aktarımını sağlar. Bu hareketin gerçekleştirilebilmesi için hiyerarşik bir adresleme yapısı gerekmektedir. Ayrıca hiyerarşik sistem dataların hedef bilgisayara en etkili ve en kısa yoldan ulaşmasını da sağlar. Adresleme dinamik ya da statik olarak yapılabilir. Statik adresleme el ile yapılan adreslemedir. Dinamik adreslemede ise otomatik olarak ip dağıtacak örneğin DHCP gibi bir protokole ihtiyaç vardır. Bu katmanda harekete geçen bir datanın hedefine ulaşabilmesi için en iyi yol seçimide yapılır. Bu işleme Routing bu işlemi yapan cihaza ise Router denir. Router en basit tarif ile en iyi yol seçimini yapar ve broadcast geçirmediği için ağ performansını olumsuz etkilemez. Bu katmanda kullanılan protokollere de şu örnekler verilebilir; IP,ARP,RARP,BOOTP,ICMP. Mantıksal ağ adresini fiziksel makine adresine çevirir. Ağ, birden fazla düğümün bağlanabildiği bir ortamdır. Her düğümün bir adresinin olduğu, bağlı olan düğümlerin başka düğümlere veri iletimine izin veren ve sadece verinin içeriği ile hedef düğümün adresinin var olması koşuluyla başka düğümlere yönlendirilir. Eğer ağ katmanında çalışan bir düğümden, veri bağlantısı katmanında çalışan bir başka düğüme iletilen verinin boyutu fazla büyükse, ağ veriyi birkaç parçaya ayırır, parçaları ayrı ayrı gönderir ve gönderdiği düğümde bu parçaları tekrar birleştirir. Aynı zamanda böyle bir işlem yapmayıp hata raporu da gönderebilir.

Ağ katmanında veri iletiminin güvenli bir şekilde gerçekleştirileceğinin garantisi verilmez. Ağ katman protokolü güvenli veri iletimi sağlayabilir ama böyle bir zorunluluğu yoktur. 3. Katmandaki süreçlerden adresleme ile her cihaz kendi ağındaki ya da başka bir ağdaki cihaz ile uçtan uca iletişimi sağlayacak kimlik bilgisini elde etmiş olur. 3. Katman adresleme yapısı kullanılan ağ katmanı protokolüne özgü bir biçimde tanımlanmalıdır.IPv4 ve IPv6 ağ katmanı protokollerinin asıl görevi uçtan uca iletimi sağlamak üzere gereken adresleme sistemini sağlamak olduğundan bu katmandaki protokoller paketlerin karşı tarafa güvenli bir şekilde gönderildiğinin kontrolünü yapmazlar.