* Logische adressering: Dit is misschien wel de belangrijkste functie. De netwerklaag wijst logische adressen (IP-adressen) toe aan elk apparaat in het netwerk. Deze adressen worden gebruikt om pakketten tussen netwerken te routeren. Fysieke adressen (MAC-adressen) worden afgehandeld door de datalinklaag.

* Routing: Dit omvat het bepalen van het beste pad voor een pakket om van de bron naar de bestemming te reizen. Routers gebruiken routeringsprotocollen (zoals RIP, OSPF, BGP) om routeringsinformatie uit te wisselen en routeringstabellen samen te stellen. Hierdoor kunnen pakketten meerdere netwerken doorkruisen om hun bestemming te bereiken.

* Pakket doorsturen: Zodra een route is bepaald, stuurt de netwerklaag pakketten langs het geselecteerde pad door. Dit omvat het onderzoeken van het bestemmings-IP-adres in de pakketheader en het raadplegen van de routeringstabel om de volgende hop te bepalen.

* Fragmentatie en hermontage: De netwerklaag kan grote pakketten opsplitsen in kleinere fragmenten voor verzending via netwerken met kleinere MTU-groottes (Maximum Transmission Unit). Op de bestemming worden deze fragmenten opnieuw samengevoegd tot het oorspronkelijke pakket. Dit zorgt ervoor dat grote pakketten netwerken met verschillende mogelijkheden kunnen doorkruisen.

* Verbindingsloze service (datagram): De netwerklaag biedt voornamelijk een verbindingsloze service, wat betekent dat elk pakket afzonderlijk wordt behandeld. Er is geen garantie voor levering of volgorde van aankomst. Dit staat in contrast met de verbindingsgerichte service die wordt geboden door de transportlaag (TCP). Sommige protocollen op de netwerklaag kunnen echter een quasi-verbindingsgerichte dienst bieden (bijvoorbeeld via technieken als RSVP).

* Foutdetectie: Hoewel niet zo uitgebreid als foutcorrectie in lagere lagen, bevat de netwerklaag mechanismen voor het detecteren van fouten in de pakketheader. Dit maakt het mogelijk om beschadigde pakketten te verwijderen en mogelijk om hertransmissie te verzoeken (hoewel hertransmissie doorgaans op hogere lagen wordt afgehandeld).

* Congestiebeheersing: Netwerklaagprotocollen kunnen bijdragen aan de beheersing van netwerkcongestie, waardoor netwerkoverbelasting wordt voorkomen. Het gaat hierbij om mechanismen om de snelheid te beperken waarmee gegevens over een netwerk worden verzonden. De primaire verantwoordelijkheid voor congestiebeheersing ligt echter doorgaans in de transportlaag (TCP).

Het is belangrijk op te merken dat de specifieke implementatie van deze services kan variëren, afhankelijk van het gebruikte netwerkprotocol (bijvoorbeeld IPv4, IPv6).