网络层的分组为数据报，数据报为首部和数据两部分组成，如下图所示。
首部的长度是以4个字节为单位，长度可以是20-60字节，这跟首部的HLEN字段有关。
版本：
这个4位字段定义了IP协议的版本，目前主流的版本是4。
首部长度：
这个4位字段定义了数据报首部的长度，以4字节的字为单位。
当首部没有选项时，首部长度位20字节；当这个字段值位最大值F时，首部长度最大为60字节。
服务类型：
在最初这个字段有一部分用于定义数据报的优先级，剩下的一部分定义了服务类型。IETF已经改变了这个8位字段的解释，现在定义了一组区分服务。
| 码点 | 未使用 |
在这种解释种，前6位构成了码点（codepoint），最后两位未使用。
| X | X | X | 0 | 0 | 0 |
当码点字段最右边为0时，对最左边的解释为优先级：
这个优先级定义了一些在出现一些问题时数据报的优先级，即当路由器需要丢弃一些数据时，优先级低的将会被首先丢弃。
| X | X | X | X | X | 0 |
因特网指派的服务
| X | X | X | X | 1 | 1 |
本地指派的服务
| X | X | X | X | 0 | 1 |
临时的或实验的服务
当码点字段最右边的3位不全为0时，这6位定义了54种服务，低延时，高吞吐量等等。
总长度：
这个16位字段定义了数据报总长度，其以字节为单位。故IPv4数据报总长度上限值位65536字节。
注：为什么需要这个字段？在许多情况下，我们确实不需要这个字段值。但是有些情况下，封装在一个帧里的并不仅仅是数据报，还可能附加了一些填充。比如，以太网协议对帧的数据有最大值（1500字节）和最小值（46字节）的限制，当数据小于46字节时，数据将含有填充数据。
标识（identification）：
这个16位字段标志了从源主机发出的一个数据报，这样就确定了数据报的唯一性。这样使得数据报被分片后，在到达终点时终点能根据标识号将同一个数据报的分片重新组装成一个数据报。
标志（flag）：
| D | M |
第一位保留（未用），第二位为“不分片（do not fragment）”，第三位位“还有分片（more fragment）”。
D为1时，不能对数据进行分片；为0可以进行分片。
M为1时，标识还有分片；为0表示最后一个分片。
分片偏移：
这个13位字段表示的是分片在整个数据报中的相对位置。这是数据在原始数据报中的偏移量，以8字节位单位。
注：分片本身还可能进行分片，这种情况下，分片偏移值永远是相对于原始数据报的。
生存时间：
这个8位字段用来控制数据报所经过的最大跳数（路由器），每经过一个路由器，这个字段数值都减1，减1后变位0时，路由器就丢弃这个数据报。
协议：
这个8位字段定义了使用IPv4服务的高层协议，如TCP，UDP，ICMP，IGMP，OSPF等的数据都将被封装到IP数据报中。这个字段指明数据报必须交付给哪个最终目的协议。
注：1表示ICMP，2表示IGMP，6表示TCP，17表示UDP，89表示OSPF
检验和：
检验IP数据报首部。
源地址：
定义了源点的IP地址，这个字段始终保持不变。
目的地址：
定义了终点的IP地址，这个字段始终保持不变。