Kể từ khi chính thức được đưa vào sử dụng và định nghĩa trong RFC 791 năm 1981 đến nay, IPv4 đã chứng minh được khả năng dễ triển khai, dễ phối hợp hoạt động và tạo ra sự phát triển bùng nổ của các mạng máy tính. Tuy nhiên, đến thời điểm hiện tại, chính việc phát triển ồ ạt các ứng dụng và công nghệ cũng như các thiết bị di động khác đã làm bộc lộ những hạn chế của IPv4:
• Thiếu hụt không gian địa chỉ IPv4: Sự tăng nhanh của các host trên mạng đã dẫn đến tình trạng thiếu địa chỉ IP trầm trọng. Mặc dù đã có nhiều công cụ ra đời để khắc phục tình trạng trên như: kỹ thuật subnetting (1985), kỹ thuật VLSM (1987) và CIDR (1993). Tuy nhiên, các kỹ thuật nêu trên cũng không thể khắc phục tình trạng thiếu địa chỉ IP cho nhu cầu tương lai. Chỉ có khoảng 4 tỷ địa chỉ IPv4, nhưng khoảng địa chỉ này là không đủ trong tương lai với những thiết bị kết nối vào Internet và các thiết bị gia đình có thể yêu cầu địa chỉ IP.
• Có nhiều bảng định tuyến lớn trên các router backbone: Điều này làm chậm quá trình xử lý của router và làm giảm tốc độ của mạng.
• An ninh mạng: Đã có nhiều giải pháp để khắc phục vấn đề bảo mật trong IPv4 như IPsec, DES, 3DES… nhưng những giải pháp này đều phải cài đặt thêm vào và có nhiều phương thức khác nhau đối với mỗi loại chứ không được hỗ trợ trong bản thân giao thức.
• Yêu cầu cấu hình đơn giản: Đa số những vận hành của IPv4 hiện nay đều phải cấu hình bằng tay hay sử dụng một giao thức cấu hình địa chỉ tự động như DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol).Tuy nhiên, với sự bùng nổ của Internet hiện nay, nhiều máy tình và thiết bị sử dụng IP. Điều đó dẫn đến cần có sự cấu hình địa chỉ tự động và đơn giản hơn, và những cài đặt cấu hình không phụ thuộc vào sự quản lý của một cấu trúc DHCP.
• Nhu cầu về các ứng dụng thời gian thực hay vấn đề đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS: Các thách thức mới từ việc nảy sinh các dịch vụ viễn thông, các yêu cầu truyền thời gian thực cho các dịch vụ multimedia, video, âm thanh qua mạng… đã đặt ra việc đảm bảo QoS cho các ứng dụng này. QoS trong IPv4 được xác định trong trường ToS và phần nhận dạng của tải tin. Tuy nhiên, trường ToS này có ít tính năng.