La începuturile Internetului, adresele IPv4 se împărțeau în 5 clase de adrese, notate de la A la E. Împărțirea se făcea în funcție de configurația binară a primului octet al adresei. Din păcate, această metodă risipea multe adrese IP, iar odată cu răspândirea Internetului a apărut pericolul epuizării spațiului de adrese. Pentru a soluționa această problemă, la începutul anilor '90 au fost concepute mai multe soluții care aveau rolul de a prelungi viața lui IPv4. În plus, a fost conceput și un nou protocol, IPv6. La începutul lui 1992 apăruseră mai multe propuneri pentru noul protocol de adresare, iar la sfârșitul aceluiași an, IETF a anunțat un apel de propuneri. În septembrie 1993, IETF a creat o arie de interese temporară, numită IP generația următoare (engleză IP Next Generation, prescurtat IPng), pentru a rezolva problemele specifice IPng. Noua arie era condusă de Allison Mankin și Scott Bradner și era formată din 15 ingineri proveniți din diverse firme, care aveau sarcina să seteze direcția și să realizeze versiuni preliminare ale viitoarelor standarde. IETF a adoptat modelul IPng pe 25 iulie 1994, prin formarea mai multor grupuri de lucru. Până în 1996, IPv6 a fost definit printr-o a serie de RFCuri, dintre care primul a fost RFC 1883. S-a sărit peste versiunea 5 deoarece era deja folosită de Internet Stream Protocol, un protocol experimental.

IPv4, versiunea folosită până în 2011 pe scară largă, nu mai poate scala, numărul de stații conectate la o astfel de rețea fiind limitat la 4,3 miliarde. Ultimele adrese IPv4 au fost alocate de IANA la începutul anului 2011. IPv6 implică în primul rând mărirea radicală a spațiului de adrese de la 232 la 2128, dar și autoconfigurarea adresei printr-un mecanism fără stări, standardizarea dimensiunii unei subrețele și integrarea securității din protocolul IPSec.
Adresele de 128 biți care sunt folosite în IPv6 permit un număr mai mare de adrese și subrețele (spațiu suficient pentru 1015 obiective = în total 340.282.366.920.938.463.463.374.607.431.768.211.456 adrese).
IPv6 a fost proiectată pentru a oferi fiecărei rețele de pe glob mai multe adrese ce pot fi rutate în întregul Internet; adresele pot fi folosite pentru o largă varietate de dispozitive, inclusiv telefoane mobile, PDA-uri, vehicule cu suport IP, electrocasnice, și multealtele. În plus față de asigurarea spațiului mai mare de adrese, IPv6 are următoarele avantaje în comparație IPv4:
Managementul și delegarea adreselor devine mai ușoară;
Autoconfigurarea ușoară a adreselor;
IPsec încorporat;
Rutare optimizată;
Depistarea adreselor duble.
Este probabil că Internetul va folosi IPv4 și IPv6 în paralel pentru o perioadă destul de lungă. Cele două protocoale nu pot comunica direct, fiind nevoie de un gateway dedicat sau de unul din mecanismele de tranziție implementate.

Jumbo frames

Cämpul de lungime din IPv6, ca și cel din IPv4, are doar 16 biți, ceea ce însemna că dimensiunea pachetului este de maxim 216 - 1 = 65.535 octeți de date. Totuși, standardul IPv6 prevede existența unui antet opțional numit Jumbo Payload, care permite folosirea a maxim 232 - 1 = 4.294.967.295 octeți de date pe conexiunile care permit asemenea dimensiuni.

În IPv6, antetul pachetului și procesul de forwardare a pachetelor de către rutere au fost simplificate. Deși antetele de IPv6 sunt de 2 ori mai mari decât cele de IPv4, procesare pachetelor este mai eficientă:

• Antetul de IPv6 a fost simplificat prin mutarea câmpurilor rar folosite în antete de extensie opționale.
  

• ruterele IPv6 nu fragmentează pachetele. Gazdele cu IPv6 trebuie ori să descopere dimensiunea maximă a pachetelor acceptate de toate ruterele de pe cale, să fragmenteze pachetele la capetele transmisiunii sau să folosească un MTU de 1280 de octeți, care este minimul acceptat de protocol.
  

• Antetul IPv6 nu este protejat de o sumă de control, făcându-se presupunerea că integritatea datelor este asigurată atât la nivelul legătură de date, cât și la nivelul transport. În acest fel, ruterele IPv6 nu trebuie să recalculeze suma de control atunci când schimbă unul din elementele pachetului.
  

• Câmpul TTL din IPv4 a fost redenumit în Hop Limit, deoarece ruterele nu mai trebuie să calucleze timpul petrecut de pachet în cozile dispozitivelor de rețea.
  

Protocolul IPsec a fost dezvoltat inițial pentru IPv6, dar a fost mai întâi folosit pe scară largă în IPv4, în care a fost inclus ulterior. IPSec este o parte integrantă a suitei de protocoale ce formează standardul IPv6. IPsec este obligatoriu în IPv6 dar opțional pentru IPv4.