Từ những hạn chế trên của IPv4, một phiên bản mới của giao thức IP đã được giới thiệu. Xuất phát điểm của IPv6 có tên gọi là IPng (Internet Protocol Next Generation). Sau đó, IPng được gán với phiên bản 6 và lấy tên chính thức là IPv6. Quan điểm chính khi thiết kế IPv6 là từng bước thay thế IPv4 và không tạo ra sự biến đổi quá lớn với các tầng trên, dưới. Những đặc trưng của IPv6 bao gồm:
• Khuôn dạng tiêu đề (header) mới: Header của IPv6 được giảm tới mức tối thiểu bằng việc chuyển tất cả các trường tùy thuộc (Options) và các trường không cần thiết xuống phần header mở rộng nằm ngay sau header IPv6. Việc tổ chức hợp lý header IPv6 làm tăng hiệu quả xử lý tại các router trung gian. Các header của IPv6 và IPv4 là không tương thích. Một host hay một router phải sử dụng cả IPv6 và IPv4 mới có thể nhận dạng và xử lý các khuôn dạng header khác nhau này. Header IPv6 mới có kích cỡ chỉ gấp 2 lần header của IPv4, mặc dù số bit trong địa chỉ IPv6 gấp 4 lần số bit trong địa chỉ IPv4.
• Không gian địa chỉ rộng lớn: IPv6 có 128 bit địa chỉ nguồn và đích. Với phạm vi của địa chỉ IPv6, việc cung cấp địa chỉ trở nên thoải mái hơn. Về mặt lý thuyết, 128 bit có thể biểu diễn được 2128 ≈ 3,4.1038 địa chỉ, nhiều hơn địa chỉ IPv4 vào khoảng 8 tỷ tỷ tỷ lần. Số lượng địa chỉ này sẽ đáp ứng được sự bùng nổ của các thiết bị IP trong tương lai.
• Kết cấu địa chỉ và định tuyến được phân cấp, hiệu quả: Địa chỉ IPv6 được thiết kế để tạo ra một kết cấu định tuyến tổng hợp, phân cấp và hiệu quả dựa trên sự phân cấp thành nhiều mức của các nhà cung cấp dịch vụ (ISPs). Nhờ đó, các router backbone có các bảng định tuyến nhỏ hơn nhiều, tương ứng với kết cấu định tuyến của các nhà cung cấp dịch vụ toàn cầu.
• Tự động cấu hình địa chỉ: Để đơn giản hóa cho việc cấu hình các host, IPv6 không chỉ cung cấp khả năng cấu hình địa chỉ tự động bởi DHCP, mà IPv6 còn đưa thêm khả năng tự động cấu hình địa chỉ khi không có DHCP server. Trong một mạng, các host trên một liên kết (link) có thể tự động cấu hình địa chỉ của nó bằng cách sử dụng các địa chỉ IPv6 cho link (được gọi là địa chỉ link-local). Ngay cả khi không có router, các host cũng có thể cấu hình tự động địa chỉ link- local. Các địa chỉ link-local được cấu hình và liên lạc với các node hàng xóm trên liên kết ngay lập tức. Trong khi các host IPv4 sử dụng DHCP phải đợi một thời gian trước khi không cần đến sự cấu hình DHCP.
• Tích hợp bảo mật: IPsec được hỗ trợ ngay trong bản thân IPv6. Yêu cầu bắt buộc này là một giải pháp tiêu chuẩn cho an ninh mạng. IPsec bao gồm 2 loại
tiêu đề mở rộng: Authentication header (AH), Encapsulating Security Payload (ESP) và một giao thức cho truyền thông unicast: giao thức IKE (Internet Key Exchange).
• Hỗ trợ QoS tốt hơn: Những trường mới trong IPv6 header xác định cách thức xử lý và nhận dạng lưu lượng. Trường nhãn luồng (Flow Label) trong IPv6 header cho phép các router nhận dạng và xử lý riêng biệt với các gói thuộc dòng lưu lượng. Vì lưu lượng được nhận dạng trong IPv6 header, nên QoS vẫn được đảm bảo ngay cả khi những gói tải tin được mã hóa bởi IPsec và ESP.
• Khả năng mở rộng: IPv6 có thể mở rộng một cách dễ dàng cho các chức năng mới bằng cách thêm vào các header mở rộng sau IPv6 header. Không giống như trong IPv4, phần tùy chọn (options) chỉ có 40 byte. Trong IPv6, kích thước của các header mở rộng chỉ bị hạn chế bởi kích thước của gói tin IPv6.