TCP/IP protokol paketini oluşturan protokoller OSI referans modeli açısından tanımlanabilir. OSI modelinde, TCP/IP modelinin ağ erişim katmanı ve uygulama katmanı bu katmanlarda gerçekleşen ayrık işlevleri tanımlamak için daha da bölünmüştür.
TCP/IP protokol paketi, ağ erişim katmanında fiziksel ortam üzerinden iletim yapılırken hangi protokollerin kullanılacağını belirtmez; sadece internet katmanından fiziksel ağ protokollerine geçişi tanımlar. OSI'nin 1. ve 2. Katmanları medyaya erişim için gereken prosedürleri ve ağ üzerinden veri göndermek için gereken fiziksel yolları ele alır.
Şekilde gösterildiği gibi, iki ağ modeli arasındaki çok önemli benzerlikler OSI 3 ve 4 katmanlarında gerçekleşmektedir. Ağ katmanı olan OSI 3. Katman, neredeyse evrensel olarak tüm veri ağlarında ağlar arasından mesaj adreslemek ve yönlendirmek için gerçekleşen işlem aralığını tanımlamak için kullanılır. IP, OSI 3 Katmanında tanımlanan işlevselliği içeren TCP/IP paket protokolüdür.
OSI modelinin taşıma katmanı olan 4. Katman, kaynak ve hedef hostlar arasında sıralı ve güvenilir veri teslimatını sağlayacak genel hizmetler ve işlevleri tanımlar. Bu işlevler onay, hata düzeltme ve sıralamayı içerir. TCP/IP protokolleri TCP ve Kullanıcı Veri Birimi Protokolü (UDP), bu katmanda gerekli işlevselliği sağlar.
TCP/IP uygulama katmanı, çeşitli son kullanıcı uygulamalarına belirli işlevsellik sağlayan birtakım protokolleri içerir. OSI modeli 5, 6 ve 7. Katmanları uygulama yazılımı geliştiricileri ve tedarikçilerin ağ üzerinde çalışan ürünler üretebilmeleri için referans olarak kullanılır.