Warstwa aplikacji jest poziomem w hierarchii protokołów, na którym rezydują procesy sieciowe dostępne dla użytkownika. Aplikacją TCP/IP w tej książce określa się każdy proces sieciowy, który działa powyżej warstwy transportowej; w pojęciu tym mieszczą się zarówno te procesy, które bezpośrednio współpracują z użytkownikiem, jak i te, o których istnieniu użytkownik nawet nie musi wiedzieć.

Podobnie jak w przypadku warstwy prezentacji, warstwa sesji nie jest implementowana w TCP/IP jako oddzielny poziom w hierarchii protokołów. W modelu OSI zarządzała ona sesjami (połączeniami) pomiędzy współpracującymi aplikacjami. W TCP/IP funkcje te należą do warstwy transportowej, nie używa się też pojęcia sesja. Do opisu ścieżki komunikacji pomiędzy współpracującymi aplikacjami używa się terminu port lub angielskiego pojęcia socket (gniazdo).

Duża część opisu TCP/IP dotyczy protokołów należących do warstwy transportowej. W modelu OSI warstwa transportowa zapewniała prawidłowe przekazanie danych od nadawcy do odbiorcy. W TCP/IP funkcję tę pełni protokół kontroli transmisji (ang. Transmission Control Protocol, TCP). W TCP/IP dostępny jest także drugi protokół tej warstwy, protokół pakietów użytkownika (ang. User Datagram Protocol, UDP), w którym jednak nie są wykonywane testy poprawności transmisji.

Warstwa ta zarządza połączeniami sieciowymi oraz izoluje protokoły wyższego rzędu od technicznie różnych implementacji sieci. Jako warstwę sieciową TCP/IP określa się protokół Internetowy (ang. Internet Protocol, IP), którego zadaniem jest izolacja warstw wyższych od sieci oraz obsługa adresów i dostarczanie danych.

Zadaniem tej warstwy jest poprawne przekazanie danych poprzez fizyczną sieć. TCP/IP rzadko implementuje protokoły tej warstwy. Większość dokumentów RFC odnoszących się do tego poziomu opisuje sposób wykorzystania istniejących protokołów przez IP.

Warstwa ta definiuje fizyczne składniki wykorzystywane podczas transmisji sygnału przez sieć. Określa się w niej szczegóły, takie jak poziomy napięć, ilość i rozmieszczenie styków we wtyku sieciowym. Przykładami takich standardów mogą być normy dotyczące łączy szeregowych RS232C i V.35, normy okablowania sieci lokalnych IEEE 802.3. TCP/IP nie definiuje własnych norm w tej warstwie, wykorzystuje jedynie dostępne standardy.