A TCP/IP protokollkészletet protokolljai is leírhatók az OSI referencia modellből kiindulva. Az OSI modellben a TCP/IP modell hálózatelérési rétege és az alkalmazási rétege további részekre van felosztva, hogy leírják a rétegekben előforduló különálló funkciókat.
A hálózatelérési rétegben a TCP/IP protokollkészlet nem határozza meg, hogy mely protokollokat kell használni egy fizikai közegen való továbbításakor, hanem csak azok átadását írja le az internet rétegből a fizikai hálózati protokollok felé. Az OSI 1. és 2. rétegek tárgyalják a közeghez-hozzáféréshez szükséges eljárásokat és a hálózaton keresztül történő adattovábbítás fizikai eszközeit.
Amint az ábrán látható, a fontos párhuzam a két hálózati modell között a 3. és 4. OSI rétegben található. Az OSI 3. réteget, a hálózati réteget szinte univerzálisan használják a valamennyi adathálózatban meglévő címzési folyamatok, valamint összekapcsolt hálózatokban előforduló irányítási folyamatok leírására. Az IP a TCP/IP protokollkészletnek az a tagja, amely magában foglalja az OSI 3. rétegében leírt funkcionalitást.
A 4. réteg, az OSI modell szállítási rétege írja le azokat általános szolgáltatásokat és funkciókat, amelyek az adatok sorrendhelyes és megbízható szállítását biztosítják a forrás és a cél között. Ezen funkciók közé tartozik a nyugtázás, a hibajavítás és a sorszámozás. Ebben a rétegben a TCP/IP protokollok közül a TCP és az UDP biztosítja a szükséges funkciókat.
A TCP/IP alkalmazási réteg számos protokollt tartalmaz, amelyek a különböző végfelhasználói alkalmazások számára nyújtanak szolgáltatásokat. Az OSI modell 5., 6. és 7. rétegeit referenciaként használják a szoftverfejlesztők és gyártók olyan termékek előállításához, amelyeknek hálózati hozzáférésre van szükségük, mint például a webböngészők.