NLB sử dụng thuật toán lọc phân tán hoàn toàn để ánh xạ các client đến các host trong nhóm. Thuật toán này cho phép các host trong nhóm đưa ra các quyết định cân bằng tải một cách độc lập và nhanh chóng cho từng gói đến. Nó được tối ưu hoá để cung cấp khả nǎng cân bằng tải một cách thống kê đối với một số lượng lớn các yêu cầu nhỏ do vô số client tạo ra, điển hình là đối với các Web server. Nếu số client và/hoặc các kết nối client tạo ra các tải quá chênh lệch nhau trên server, thuật toán cân bàng tải sẽ ít hiệu quả. Tuy nhiên, tính đơn giản và tốc độ của thuật toán cho phép cung cấp hiệu nǎng rất cao bao gồm cả thông lượng cao và thời gian đáp ứng ngắn trong một dải rộng các ứng dụng client/server thông dụng.
NLB xử lý các yêu cầu của client bằng cách dẫn đường cho một tỉ lệ phần trǎm đã chọn những yêu cầu mới cho từng host trong nhóm. Thuật toán không đáp ứng những thay đổi về tải trên mỗi host (chẳng hạn như tải CPU hay vấn đề sử dụng bộ nhớ). Tuy nhiên, quá trình ánh xạ sẽ được thay đổi khi quan hệ thành viên trong nhóm thay đổi và tỉ lệ phần trǎm tải phân bố sẽ được tái cân bằng.
Khi xem xét một gói đến, tất cả các host thực hiện đồng thời việc ánh xạ thống kê để xác định nhanh chóng host nào sẽ xử lý gói đó. Quá trình ánh xạ sử dụng một hàm ngẫu nhiên để tính mức ưu tiên của host dựa trên địa chỉ IP và cổng đến của client cùng các thông tin trạng thái khác để tối ưu hoá việc cân bằng tải. Host tương ứng sẽ chuyển gói đó từ các tầng dưới lên tầng TCP/IP còn các host khác sẽ loại bỏ gói này. Quá trình ánh xạ không thay đổi trừ phi quan hệ giữa các host trong nhóm thay đổi, để đảm bảo rằng địa chỉ IP và cổng đến của client cho trước sẽ luôn được ánh xạ đến cùng một host trong nhóm. Tuy nhiên, host cụ thể trong nhóm mà địa chỉ IP và cổng đến của client ánh xạ tới không thể được xác định trước do hàm ngẫu nhiên có tính đến quan hệ thành viên trong nhóm hiện tại và quá khứ để tối thiểu hoá khả nǎng ánh xạ lại.
Nhìn chung, chất lượng cân bằng tải được xác định một cách thống kê bởi số lượng client tạo ra yêu cầu. Như kết cấu tǎng giảm về số lượng client theo thống kê, sự
đều đặn về chất lượng của thuật toán cân bằng tải sẽ thay đổi nhẹ. Để hoạt động cân bằng tải có độ chính xác cao trên mỗi host trong nhóm, một phần tài nguyên hệ thống sẽ được sử dụng để đo và phản ứng trước những thay đổi của tải. Sự trả giá về hiệu nǎng này phải được cân nhắc so với lợi ích của việc tối đa hoá khả nǎng sử dụng các tài nguyên trong nhóm (về cơ bản là CPU và bộ nhớ). Trong bất cứ trường hợp nào, việc sử dụng hợp lý các nguồn tài nguyên server phải được duy trì để có thể phục vụ cho các tải client khác trong trường hợp xảy ra lỗi.
Khi một host mới tham gia vào nhóm, nó sẽ kích hoạt quá trình hội tụ và một quan hệ thành viên mới trong nhóm sẽ được tính toán. Khi quá trình hội tụ hoàn thành, một phần tối thiểu client sẽ được ánh xạ tới host mới. NLB dò các kết nối TCP trên mỗi host và sau khi kết nối TCP hiện tại của chúng hoàn thành, kết nối tiếp theo từ các client bị ảnh hưởng sẽ được xử lý bởi host mới. Do đó, các host nên được bổ sung vào nhóm tại những thời điểm tải tǎng quá mạnh nhằm tối thiểu hoá hiện tượng ngắt quãng các phiên. Để tránh vấn đề này, trạng thái phiên phải được quản lý bởi ứng dụng server sao cho nó có thể được tái cấu trúc hay được trả lại từ bất kỳ một host nào trong nhóm. Ví dụ, trạng thái phiên có thể được đẩy đến server cơ sở dữ liệu và lưu trong các cookies của client.