NAT ma wiele zastosowań, ale jego głównym zastosowaniem jest oszczędzanie publicznych adresów IPv4. W tym celu, umożliwia on sieciom stosowanie adresacji prywatnych IPv4 wewnętrznie, tłumacząc je na adresy publiczne tylko w razie potrzeby. Dodatkową korzyścią płynącą z NAT jest zwiększenie poziomu prywatności i bezpieczeństwa w sieci, ponieważ ukrywa on adresy IPv4 przed sieciami zewnętrznymi.
Na routerach z uruchomioną NAT można skonfigurować jeden lub więcej publicznych adresów IPv4. Adresy te tworzą tzw. pulę NAT. Kiedy urządzenie wewnętrzne wysyła dane z sieci, router z uruchomioną funkcją NAT tłumaczy wewnętrzny adres IPv4 urządzenia na adres publiczny z puli NAT. Dla urządzeń zewnętrznych, ruch wchodzący i wychodzący z sieci korzysta z udostępnionej puli adresów IPv4.
Zwykle router NAT działa na brzegu sieci szczątkowej (ang. stub network). Sieć szczątkowa to sieć z pojedynczym połączeniem z siecią sąsiedzką, jedną drogą do i jedną drogą z sieci. W przykładzie na rysunku, R2 jest routerem brzegowym. Z punktu widzenia ISP, R2 tworzy sieć szczątkową.
Kiedy urządzenie wewnątrz sieci końcowej chce komunikować się z urządzeniem spoza niej, pakiet przekierowywany jest do routera brzegowego. Router brzegowy realizuje proces NAT, czyli proces translacji prywatnego adresu wewnętrznego hosta na publiczny adres zewnętrzny, który może być routowany.
Uwaga: Połączenie z ISP także może posiadać adres prywatny lub publiczny współdzielony przez wielu klientów. Na potrzeby tego rozdziału, pokazano adres publiczny.